JP2014096443A - レーザ装置およびそれを用いた光音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長可変なレーザ装置において、安定した波長の選択とレーザ発振を可能にする技術を提供する。
【解決手段】出力手段と、第１および第２の反射手段の間に分岐手段が配置された共振器であって、光路が共有部分ならびに第１および第２の非共有部分を含む共振器と、共有部分に配置されたレーザ媒質および波長フィルタと、レーザ媒質を励起する励起手段と、第１および第２の非共有部分に配置された第１および第２の遮蔽手段を有し、発振する光を第１および第２の波長から選択できるレーザ装置であって、波長フィルタは第１の波長において第１の偏光の透過率が第２の偏光よりも大きく、第２の波長において第１の偏光の透過率が第２の偏光よりも小さく、第１および第２の遮蔽手段の一方が開き他方が閉じることで波長が選択されるレーザ装置を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置およびそれを用いた光音響装置に関する。

レーザなどの光源から生体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる生体内の情報を画像化する光イメージング装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：ＰＡＴ）がある。ＰＡＴでは、光源から発生したパルス光を生体に照射し、生体内で伝搬、拡散したパルス光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波を検出する。この光音響波発生の現象を光音響効果と呼び、光音響効果により発生した音響波を光音響波と呼ぶ。

腫瘍などの被検部位は、その周辺組織に対して光エネルギーの吸収率が高いことが多いため、周辺組織よりも多くの光を吸収して瞬間的に膨張する。この膨張の際に発生する光音響波を音響波検出器で検出し、受信信号を得る。この受信信号を数学的に解析処理することにより、被検体内で発生した光音響波の音圧分布を画像化（以下、光音響画像と呼ぶ）することができる。このようにして得られる光音響画像を基にして、生体内の光学特性分布、特に、吸収係数分布を得ることができる。これらの情報は、被検体内の特定物質、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどの定量的計測にも利用できる。近年、ＰＡＴを用いて小動物の血管像をイメージングする、あるいは、乳がんなどの診断に応用することを目的とした光音響装置の研究が積極的に進められている。

グルコースやヘモグロビン等の生体内物質は、入射する光の波長によりその吸収率が異なる。したがって、波長の異なる光を照射し、吸収係数分布の差分を解析することにより、生体内の物質の分布をより正確に測定することができる。一般に、照射光には５００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長を持つ光が使用される。特に、メラニンや水の吸収を避ける必要がある場合は、入射光には波長７００ｎｍ〜９００ｎｍの近赤外光が用いられる。

チタンサファイアレーザやアレキサンドライトレーザは、上記の波長範囲において利得帯域を有する波長可変が可能な固体レーザである。波長可変レーザの波長選択機構には、プリズムや回折格子などの波長分散素子を内部に配置したレーザ共振器のミラーを回転する方法や、レーザ共振器内に配置した複屈折板を回転する方法、あるいは音響光学素子を利用する方法（特許文献１）がある。

特許第３５６７２３４号公報

波長選択のために光学素子を機械的に回転させる場合は、回転軸ズレにより光路ズレが生じ、発振エネルギーの低下や、発振波長がずれてしまうという課題がある。

特許文献１に記載の方法は、機械的な可動機構を用いることなく所望の波長を選択することが可能な波長変換機構である。これは、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と音響光学素子とを配置し、音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にミラーを配置する方法である。音響光学素子中に励起する音響波の周波
数を選択することにより、ミラーの方向に回折される光の波長を制御できるので、発振波長を選択することが可能になる。すなわち、音響光学素子に印加する超音波のＲＦ信号により、機械的な回転機構を用いることなく所望の波長を選択することが可能となる。

しかしながら、音響光学素子の回折効率は、１次回折光を用いた場合でも、通常は７０から８０％であり共振器内損失が大きいという課題を有する。また音響光学素子の光耐性に限界があるため高出力のレーザ装置に適応することは困難である。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、波長可変なレーザ装置において、安定した波長の選択とレーザ発振を可能にする技術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、
出力手段と、第１および第２の反射手段との間に分岐手段が配置された共振器であって、当該共振器内の光路は、前記出力手段と前記分岐手段の間の共有部分と、前記分岐手段と前記第１および第２の反射手段それぞれとの間の第１および第２の非共有部分とを含む共振器と、
前記共有部分に配置されたレーザ媒質および波長フィルタと、
前記レーザ媒質を励起する励起手段と、
前記第１および第２の非共有部分にそれぞれ配置された第１および第２の遮蔽手段と、を有し、発振する光の波長を第１および第２の波長から選択できるレーザ装置であって、
前記波長フィルタは、前記第１の波長の光を第１の偏光で入射した場合において、前記第１の偏光の透過率が第２の偏光の透過率よりも大きく、前記第２の波長の光を前記第１の偏光で入射した場合において、前記第１の偏光の透過率が前記第２の偏光の透過率よりも小さくなるものであり、
前記分岐手段は、前記第１の偏光と前記第２の偏光を分岐する機能を有し、
前記第１および第２の遮蔽手段の一方が開状態となり、他方が閉状態となることで発振する光の波長が選択される
ことを特徴とするレーザ装置である。

本発明によれば、波長可変なレーザ装置において、安定した波長の選択とレーザ発振を可能にする技術を提供することができる。

第１の実施例を説明する模式図。 第１の実施例における第１の共振状態を説明する図。 第１の実施例における第１の共振状態を説明する図。 第１の実施例における第２の共振状態を説明する図。 第１の実施例における第２の共振状態を説明する図。 第２の実施例を説明する模式図。 第２の実施例における第１の共振状態を説明する図。 第２の実施例における第１の共振状態を説明する図。 第２の実施例における第２の共振状態を説明する図。 第２の実施例における第２の共振状態を説明する図。 第３の実施例を説明する模式図。 第３の実施例における第１の共振状態を説明する図。 第３の実施例における第２の共振状態を説明する図。 第４の実施例を説明する模式図。 第５の実施例を説明する模式図。 第５の実施例における波長フィルタを説明する図。 第６の実施例を説明する模式図。

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、波長可変なレーザ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、かかるレーザ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、本発明のレーザ装置から被検体にレーザ光を照射し、被検体内の光吸収体から光音響効果により発生し伝搬する光音響波を取得する装置である。このとき本発明にかかるレーザ装置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。そして、取得された情報を表示して診断に役立てることができる。特性情報には例えば、酸素化ヘモグロビンと還元型ヘモグロビンの吸収特性に対応する波長の光を照射して得られた酸素飽和度の分布があり、新生血管の検出に役立てることができる。

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。

＜装置の構成要素＞
以下に、本発明に係るレーザ装置について説明する。まずレーザ装置の各構成要素の機能について説明したのち、図面を参照しつつ実施例ごとに説明を行う。

（アウトプットカップラ）
共振器内部の光の一部を共振器外部に取り出し、残りを共振器内部に戻すものであり、所望の波長の光に対して適切な反射率を有するミラーで構成される。アウトプットカップラは出力鏡とも呼ばれ、本発明の出力部に相当する。アウトプットカップラと後述するリアミラーを両端として、以下の各構成要素を含む共振器が形成される。より詳しくは、リアミラーのうち第１のミラーとの間で第１の共振器を形成し、第２のミラーとの間で第２の共振器を形成する。

（レーザ媒質）
被検体が生体の場合、生体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される波長の光を照射することが望ましく、レーザ媒質はそのような波長に対して利得を有する必要がある。特に、メラニンや水の吸収を避ける必要がある場合は、波長７００ｎｍ〜９００ｎｍの近赤外光を発振することが可能なレーザ媒質を用いることが好適である。このような波長域に対して利得を有するレーザ媒質としては、チタンサファイア結晶やアレキサンドライト結晶を用いることができる。その他、色素を用いることも可能である。結晶の場合は、ｐ偏光の発振を優位にするために端面をブリュースター角になるように形成したりしてもよい。また、光が垂直入射になる場合は、所望の波長の光に対して反射防止膜を形成したりしてもよい。

（波長フィルタ）
波長フィルタは、レーザ媒質から発振した光に対して波長に応じた透過特性を有するフィルタである。具体的には、波長フィルタは、光学軸が板面に平行になるように加工された単軸結晶（例えば石英）からなる１枚の複屈折板もしくは複数の複屈折板で構成される
。

波長フィルタは以下の機能を有する。
第１の波長の光を第１の偏光で入射した場合において、第１の偏光の光（例えばｐ偏光）の透過率が、第１の偏光と直交する第２の偏光の光（例えばｓ偏光）の透過率よりも大きい。
第２の波長の光を第１の偏光で入射した場合において、第１の偏光の光の透過率は、第２の偏光の光の透過率よりも小さい。
この機能を満たすように、波長フィルタを構成する複屈折板の膜厚および光学軸の方向が設定されている。

複屈折板の基本となる膜厚（所定の厚さに相当）は、複屈折板を伝搬する際の、第１の波長における常光と異常光の位相差が１８０度の偶数倍となり、かつ、第２の波長における常光と異常光の位相差が１８０度の奇数倍となるように設定されている。さらに、複数の複屈折板で構成される場合は、偏光分岐素子に最も近い位置の複屈折板の厚さは基本となる膜厚の奇数倍であり、それ以外の複屈折板の厚さは基本となる膜厚の偶数倍とすることで上記の機能を実現できる。

また、共振する光に対して、垂直入射あるいはブリュースター角での入射になるように波長フィルタの角度が設定されている。垂直入射の場合は、波長フィルタを構成する複屈折板の各面に反射防止膜を形成することが望ましく、また、複数の複屈折板を用いる場合は、それらの間に、第１の偏光の光（例えばｐ偏光）のみを透過する偏光板を挿入することが望ましい。

（偏光分岐素子）
偏光分岐素子は、第１の偏光の光（例えばｐ偏光）と第２の偏光の光（例えばｓ偏光）とを分岐する素子である。キューブ型の偏光ビームスプリッタやプレート型の偏光ビームスプリッタなど９０度の角度で分岐する素子が好適である。その他、グランレーザープリズム、ウォラストンプリズム、ローションプリズムなど、常光と異常光を異なる角度で伝搬するプリズムを用いることができる。偏光分岐素子により、第１の共振器と第２の共振器が分岐される。偏光分岐素子は本発明の分岐手段に相当する。このとき、共振器内の光路の内、アウトプットカップラから偏光分岐素子の間の光路を共有部分とも呼ぶ。また、偏光分岐素子から第１のリアミラーの間の光路を第１の非共有部分、偏光分岐素子から第２のリアミラーの間の光路を第２の非共有部分とも呼ぶ。第１の共振器は共有部分と第１の非共有部分からなり、第２の共振器は共有部分と第２の非共有部分からなる。

（リアミラー）
第１、第２の共振器の非共有部分に設けられた、光を反射する部材であり、それぞれ第１のミラー、第２のミラーである。一般に９５％以上の反射率を有する誘電体多層膜によって構成される。リアミラーは反射鏡とも呼ばれ、本発明の反射部に相当する。

（光路遮蔽手段）
光路遮蔽手段は、第１、第２の共振器の非共有部分に設けられた、光を遮断する部材であり、それぞれ第１の光路遮蔽手段、第２の光路遮蔽手段である。機械的に開閉を制御する光シャッターが好適である。その他、電気光学素子と偏光板を組み合わせたもので、電気光学素子に電界を印加することで透過光の偏光状態を制御する、といったタイプでもよい。その他、リアミラーがスライド可能なステージに搭載されており、そのステージをスライドすることで光路を遮断する、といった手段であってもよい。光路遮蔽手段は本発明の第１および第２の遮蔽手段に相当する。

第１の光路遮蔽手段を開状態、第２の光路遮蔽手段を閉状態にすると第１の共振器の側でレーザが発振する。第１の光路遮蔽手段を閉状態、第２の光路遮蔽手段を開状態にすると第２の共振器の側でレーザが発振する。開状態とは、共振可能な状態を、閉状態とは、共振不可能な状態（上記の遮断状態と同じ）を意味する。このように、光路遮蔽手段の一方を開状態とし、他方を閉状態とするにことより、波長の選択ができる。

＜装置の動作＞
以下、本発明のレーザ装置の動作について図１を用いて説明する。
アウトプットカップラ１１７、レーザ媒質１０１、波長フィルタ１０３、偏光分岐素子１０７がこの順に配置されている。ここまでが、第１および第２の共振器の共有部分となる。
波長フィルタは、第１の波長において、ｐ偏光で入射した光がｐ偏光で透過し、第２の波長において、ｐ偏光で入射した光がｓ偏光で透過するように設定されている。
偏光分岐素子１０７はｐ偏光を透過、ｓ偏光を反射するように設定されている。

第１のリアミラー１１１と第１の光路遮蔽手段１０９が第１の共振器に配置され、第２のリアミラー１１５と第２の光路遮蔽手段１１３が第２の共振器に配置されている。第１の共振器は、両端がアウトプットカップラ１１７および第１のリアミラー１１１で構成され、第２の共振器は、両端がアウトプットカップラ１１７および第２のリアミラー１１５で構成される。

図１（ａ）に示すように、第１の光路遮蔽手段１０９を開状態、第２の光路遮蔽手段１１３を閉状態にすると第１の共振器側が有効になる。この時、波長フィルタ１０３に左側からｐ偏光で入射した光は、第１の波長においてはｐ偏光で、第２の波長においてはｓ偏光で透過する。ｐ偏光の第１の波長の光は偏光分岐素子１０７を透過し、第１のリアミラー１１１で反射され、再び偏光分岐素子１０７を透過し、波長フィルタ１０３に右側からｐ偏光で入射し、ｐ偏光のままで透過する。すなわち、第１の波長の光は第１の共振器で共振可能である。一方、ｓ偏光の第２の波長の光は、偏光分岐素子１０７で反射し、第２の光路遮蔽手段によって遮断されるため共振できない。したがって、この状態では、第１の波長で発振する。

図１（ｂ）に示すように、第１の光路遮蔽手段１０９を閉状態、第２の光路遮蔽手段１１３を開状態にすると第２の共振器側が有効になる。この時、波長フィルタ１０３に左側からｐ偏光で入射した光は、第１の波長においてはｐ偏光で、第２の波長においてはｓ偏光で透過する。ｐ偏光の第１の波長の光は、偏光分岐素子１０７を透過し第１の光路遮蔽手段１０９で遮断される。一方、ｓ偏光の第２の波長の光は、偏光分岐素子１０７で反射し、第２のリアミラー１１５で反射され、再び偏光分岐素子１０７で反射し、波長フィルタ１０３に右側からｓ偏光で入射し、ｐ偏光に変換されて透過する。すなわち、第２の波長の光は第２の共振器で共振可能である。したがって、この状態では、第２の波長で発振する。

このように、第１、第２の光路遮蔽手段の開閉のみで、共振器を構成するミラー等の光学素子を機械的に回転する必要がなく、第１、第２の光路遮蔽手段の開閉のみで波長を切り替えることが可能になり、安定なレーザ発振が可能となる。
より詳細な構成については、以下の各実施例の中で述べる。

＜実施例１＞
引き続き図１を用いて、実施例１に係るレーザ装置を説明する。図中、１０１はチタンサファイア結晶からなるレーザ媒質であり、共振する光に対してブリュースター角となるように端面がカットされている。１０３は波長フィルタであり、３枚の複屈折板１０４−
１、１０４−２、１０４−３と２枚の偏光板１０５で構成されている。１０７は偏光ビームスプリッタからなる偏光分岐素子であり、ｐ偏光を透過、ｓ偏光を反射する機能を有する。１０９は第１の共振器に設けられた光シャッターからなる第１の光路遮断手段である。１１１は９９％の反射率を有する第１のリアミラーである。１１３は第２の共振器に設けられた光シャッターからなる第２の光路遮断手段である。１１５は９９％の反射率を有する第２のリアミラーである。１１７は５０％の反射率を有するアウトプットカップラである。１１９はＹＡＧレーザ（図中不指示）の第２高調波光からなる励起光であり、１２１はレーザ媒質１０１に励起光１１９を導くためのミラーである。

以下、波長フィルタ１０３の構成について詳細に説明する。
複屈折板１０４−１は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚０．７ｍｍ（所定の厚さの１倍に相当）の石英結晶からなる。複屈折板１０４−１を光が伝搬する時、波長７９９ｎｍ（第１の波長に相当）の光に対して、常光と異常光の位相差が１８０度の偶数倍となり、波長７５２ｎｍ（第２の波長に相当）の光に対して、常光と異常光の位相差が１８０度の奇数倍となる。複屈折板１０４−２は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚２．８ｍｍ（所定の厚さの４倍に相当）の石英結晶からなり、複屈折板１０４−３は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚１．４ｍｍ（所定の厚さの２倍に相当）の石英結晶からなる。

複屈折板１０４−１、１０４−２、１０４−３の各面には反射防止膜（図中不指示）が形成されている。複屈折板１０４−１、１０４−２、１０４−３はそれぞれ平行に配置されており、それらの光学軸の方向は一致している。紙面に平行な方向をｐ偏光の電界方向とし、その方向を０−１８０度、紙面に垂直な方向をｓ偏光の電界方向とし、その方向を９０−２７０度とすると、複屈折板の光学軸の方向が４５度の方向になるように各複屈折板が配置されている。各複屈折板の間には、偏光板１０５がｐ偏光の光のみを透過するように配置されている。

図１（ａ）は、第１の光路遮蔽手段１０９を開状態、第２の光路遮蔽手段１１３を閉状態とした場合の模式図である。この時の波長フィルタ１０３の特性を図２、図３を用いて説明する。図２（ａ）は図１（ａ）の一部である。

図２（ｂ）は図２（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ１０３に入射した場合の、波長フィルタ１０３のｐ偏光のパワー透過率である。図２（ｃ）は、ｐ偏光で波長フィルタ１０３に入射した光が偏光分岐素子１０７、第１のリアミラー１１１を経由して再び波長フィルタ１０３からｐ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図２から、波長７９９ｎｍの光が最も効率よく共振できることがわかる。

図３（ａ）は図１（ａ）の一部である。図３（ｂ）は図３（ａ）中の左側からｓ偏光で光が波長フィルタ１０３に入射した場合の、波長フィルタ１０３のｐ偏光のパワー透過率である。図３（ｃ）は、ｓ偏光で波長フィルタ１０３に入射した光が偏光分岐素子１０７、第１のリアミラー１１１を経由して再び波長フィルタ１０３からｓ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図３より、例えば７７６ｎｍ付近の光はｓ偏光で共振する可能性があるが、反射率が３０％以下であり、発振しきい値は図２の場合に比べて大きいことが分かる。また、レーザ媒質（結晶）１０１は端面がブリュースター角に加工されており、ｐ偏光に比べｓ偏光の反射損失が大きくなる構成である。

よって、図１（ａ）の状態では、波長７９９ｎｍの近傍でレーザ発振が起きる。

図１（ｂ）は、第１の光路遮蔽手段１０９を閉状態、第２の光路遮蔽手段１１３を開状
態とした場合の模式図である。この時の波長フィルタ１０３の特性を図４、図５を用いて説明する。

図４（ａ）は図１（ｂ）の一部である。図４（ｂ）は図４（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ１０３に入射した場合の、波長フィルタ１０３のｓ偏光のパワー透過率である。図４（ｃ）は、ｐ偏光で波長フィルタ１０３に入射した光が偏光分岐素子１０７、第２のリアミラー１１５を経由して再び波長フィルタ１０３からｐ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図４から、波長７５２ｎｍの光が最も効率よく共振できることがわかる。

図５（ａ）は図１（ｂ）の一部である。図５（ｂ）は図５（ａ）中の左側からｓ偏光で光が波長フィルタ１０３に入射した場合の、波長フィルタ１０３のｓ偏光のパワー透過率である。図５（ｃ）は、ｓ偏光で波長フィルタ１０３に入射した光が偏光分岐素子１０７、第２のリアミラー１１５を経由して再び波長フィルタ１０３からｓ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図５より、例えば７７３ｎｍ付近の光はｓ偏光で共振する可能性があるが、反射率が３０％以下であり、発振しきい値は図４の場合に比べて大きい。また、レーザ媒質（結晶）１０１は端面がブリュースター角に加工されており、ｐ偏光に比べｓ偏光の反射損失が大きくなる構成である。よって、図１（ｂ）の状態では、波長７５２ｎｍの近傍でレーザ発振が起きる。

以上より、第１、第２の光路遮蔽手段１０９、１１３の開閉のみで、２つの発振波長（７９９ｎｍ、７５２ｎｍ）を切り替えることが可能となる。
励起光１１９がパルス光の場合、その周期と同調して第１、第２の光路遮蔽手段１０９、１１３の開閉を制御すればよい。例えば、１パルスごとに発振波長を切り替えることも可能である。

以上述べたように、本発明によれば、共振器内損失が大きく、かつ光耐性に限界がある音響光学素子を用いることなく、また、機械的な可動機構を用いることなく、安定したレーザ発振が可能な波長可変レーザ装置を実現できる。

＜実施例２＞
図６は本発明のレーザ装置の第２の実施例を説明する模式図である。第１の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第１の実施例との違いは、波長フィルタの構成である。

図６中、２０１は波長フィルタであり、３枚の複屈折板２０２−１、２０２−２、２０２−３で構成されている。複屈折板２０２−１は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚０．７ｍｍ（所定の厚さの１倍に相当）の石英結晶からなる。複屈折板２０２−２は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚２．８ｍｍ（所定の厚さの４倍に相当）の石英結晶からなり、複屈折板２０２−３は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚１．４ｍｍ（所定の厚さの２倍に相当）の石英結晶からなる。

複屈折板２０２−１、２０２−２、２０２−３はそれぞれ平行に配置されており、発振する光の入射角がブリュースター角となるように配置されている。また、それらの光学軸の方向は一致している。複屈折板の板面内で紙面に平行な方向を０−１８０度、紙面に垂直な方向を９０−２７０度とすると、複屈折板の光学軸の方向が３２度の方向になるように各複屈折板が配置されている。

本実施例において、複屈折板２０２−１を光が伝搬する時、波長７４９ｎｍ（第１の波
長に相当）の光に対して、常光と異常光の位相差が１８０度の偶数倍となる。また、波長７９９ｎｍ（第２の波長に相当）の光に対して、常光と異常光の位相差が１８０度の奇数倍となる。

図６（ａ）は、第１の光路遮蔽手段１０９を開状態、第２の光路遮蔽手段１１３を閉状態とした場合の模式図である。この時の波長フィルタ２０１の特性を図７、図８を用いて説明する。

図７（ａ）は図６（ａ）の一部である。図７（ｂ）は図７（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ２０１に入射した場合の、波長フィルタ２０１のｐ偏光のパワー透過率である。図７（ｃ）は、ｐ偏光で波長フィルタ２０１に入射した光が偏光分岐素子１０７、第１のリアミラー１１１を経由して再び波長フィルタ２０１からｐ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図７から、波長７４９ｎｍの光が最も効率よく共振できることがわかる。

図８（ａ）は図６（ａ）の一部である。図８（ｂ）は図８（ａ）中の左側からｓ偏光で光が波長フィルタ２０１に入射した場合の、波長フィルタ２０１のｐ偏光のパワー透過率である。図８（ｃ）は、ｓ偏光で波長フィルタ２０１に入射した光が偏光分岐素子１０７、第１のリアミラー１１１を経由して再び波長フィルタ２０１からｓ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図８より、例えば７７０ｎｍ付近の光はｓ偏光で共振する可能性があるが、反射率が４０％程度であり、発振しきい値は図７の場合に比べて大きい。また、レーザ媒質（結晶）１０１は端面がブリュースター角に加工されており、ｐ偏光に比べｓ偏光の反射損失が大きくなる構成である。

よって、図６（ａ）の状態では、波長７４９ｎｍの近傍でレーザ発振が起きる。

図６（ｂ）は、第１の光路遮蔽手段１０９を閉状態、第２の光路遮蔽手段１１３を開状態とした場合の模式図である。この時の波長フィルタ２０１の特性を図９、図１０を用いて説明する。

図９（ａ）は図６（ｂ）の一部である。図９（ｂ）は図９（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ２０１に入射した場合の、波長フィルタ２０１のｓ偏光のパワー透過率である。図９（ｃ）は、ｐ偏光で波長フィルタ２０１に入射した光が偏光分岐素子１０７、第２のリアミラー１１５を経由して再び波長フィルタ２０１からｐ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図９から、波長７９９ｎｍの光が最も効率よく共振できることがわかる。

図１０（ａ）は図６（ｂ）の一部である。図１０（ｂ）は図１０（ａ）中の左側からｓ偏光で光が波長フィルタ２０１に入射した場合の、波長フィルタ２０１のｓ偏光のパワー透過率である。図１０（ｃ）は、ｓ偏光で波長フィルタ２０１に入射した光が偏光分岐素子１０７、第２のリアミラー１１５を経由して再び波長フィルタ２０１からｓ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図１０より、例えば７７７ｎｍ付近の光はｓ偏光で共振する可能性があるが、反射率が３０％程度であり、発振しきい値は図９の場合に比べて大きい。また、レーザ媒質（結晶）１０１は端面がブリュースター角に加工されており、ｐ偏光に比べｓ偏光の反射損失が大きくなる構成である。

よって、図６（ｂ）の状態では、波長７９９ｎｍの近傍でレーザ発振が起きる。

以上より、第１、第２の光路遮蔽手段１０９、１１３の開閉のみで、２つの発振波長（７４９ｎｍ、７９９ｎｍ）を切り替えることが可能となる。

図７（ｃ）と図９（ｃ）を比べると、第１の共振器を用いた波長７４９ｎｍの方が、第２の共振器を用いた波長７９９ｎｍよりも反射率が大きく、発振しきい値が小さくなる。一般に、チタンサファイア結晶においては、波長７４９ｎｍよりも波長７９９ｎｍのほうが、利得が大きい。そこで本実施例では、利得が大きい側に反射率が小さい側を合わせることで、波長によるレーザ出力の差を小さくしている。

本実施例において、波長フィルタ２０１を、複屈折板の板面に垂直な軸を中心に回転すれば、第１の波長と第２の波長の差を５０ｎｍ程度に保ったままでそれぞれをシフトすることが可能になる。これは複屈折板の光学軸の向きを制御することに相当する。この時、波長の調整のためには波長フィルタの回転が必要であるが、実施にレーザを発振させたり波長を切り替えたりする際は、波長フィルタは固定したままで動かす必要はない。また、第１の波長と第２の波長の差は、波長フィルタを構成する複屈折板の膜厚によって決まるので、波長の差を大きくしたい場合は膜厚の小さいもの、波長の差を小さくしたい場合は膜厚の大きいものを選択すればよい。すなわち、光学軸の向きや波長フィルタを構成する複屈折板の膜厚を最適に選ぶことによって、発振可能な２波長を任意に選ぶことが可能になる。

＜実施例３＞
図１１は本発明のレーザ装置の第３の実施例を説明する模式図である。第１の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第１の実施例との違いは、波長フィルタの構成、およびレーザ媒質の構成である。

図１１中、３０１は結晶のｂ軸が紙面の上下方向になるように配置されたアレキサンドライト結晶からなるレーザ媒質であり、両端面は反射防止膜が形成されている（図中不指示）。３０３はレーザ媒質３０１を励起するフラッシュランプであり、フラッシュランプ３０３は図中不指示のパルス電源によって発光が制御されている。３０５はｐ偏光（紙面に平行な方向に電界を持つ）のみを透過する偏光板である。

３０７は波長フィルタであり、３枚の複屈折板３０８−１、３０８−２、３０８−３で構成されている。複屈折板３０８−１は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚０．７ｍｍ（所定の厚さの１倍に相当）の石英結晶からなる。複屈折板３０８−２は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚２．８ｍｍ（所定の厚さの４倍に相当）の石英結晶からなり、複屈折板３０８−３は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚１．４ｍｍ（所定の厚さの２倍に相当）の石英結晶からなる。

複屈折板３０８−１、３０８−２、３０８−３はそれぞれ平行に配置されており、発振する光の入射角がブリュースター角となるように配置されている。また、それらの光学軸の方向は一致している。複屈折板の板面内で紙面に平行な方向を０−１８０度、紙面に垂直な方向を９０−２７０度とすると、複屈折板の光学軸の方向が４２．５度の方向になるように各複屈折板が配置されている。

本実施例において、複屈折板３０８−１を光が伝搬する時、波長７９８ｎｍ（第１の波長に相当）の光に対して、常光と異常光の位相差が１８０度の偶数倍となる。また、波長７５１ｎｍ（第２の波長に相当）の光に対して、常光と異常光の位相差が１８０度の奇数倍となるような構成である。３０９はＱスイッチであり、３１１は５０％の反射率を有するアウトプットカップラである。

図１１（ａ）は、第１の光路遮蔽手段１０９を開状態、第２の光路遮蔽手段１１３を閉状態とした場合の模式図である。この時の波長フィルタ３０７の特性を図１２を用いて説明する。

図１２（ａ）は図１１（ａ）の一部である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ３０７に入射した場合の、波長フィルタ３０７のｐ偏光のパワー透過率である。図１２（ｃ）は、ｐ偏光で波長フィルタ３０７に入射した光が偏光分岐素子１０７、第１のリアミラー１１１を経由して再び波長フィルタ３０７からｐ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図１２から、波長７９８ｎｍの光が最も効率よく共振できることがわかる。

図１１（ｂ）は、第１の光路遮蔽手段１０９を閉状態、第２の光路遮蔽手段１１３を開状態とした場合の模式図である。この時の波長フィルタ３０７の特性を図１３を用いて説明する。

図１３（ａ）は図１１（ｂ）の一部である。図１３（ｂ）は図１３（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ３０７に入射した場合の、波長フィルタ３０７のｓ偏光のパワー透過率である。図１３（ｃ）は、ｐ偏光で波長フィルタ２０１に入射した光が偏光分岐素子１０７、第２のリアミラー１１５を経由して再び波長フィルタ３０７からｐ偏光で出射される際のパワー反射率である。
図１３から、波長７５１ｎｍの光が最も効率よく共振できることがわかる。

フラッシュランプ３０３に投入するパルス電流と同期して第１、第２の光路遮蔽手段１０９、１１３の開閉動作、およびＱスイッチ３０９のＯＮ／ＯＦＦを制御することで２つの発振波長（７９８ｎｍ、７５１ｎｍ）を切り替えることが可能となる。

図１２（ｃ）と図１３（ｃ）を比べると、第１の共振器を用いた波長７９８ｎｍの方が、第２の共振器を用いた波長７５１ｎｍよりも反射率が大きく、発振しきい値が小さくなる。一般に、アレキサンドライト結晶においては、波長７９８ｎｍよりも波長７５１ｎｍのほうが利得が大きいので、本実施例では、利得が大きい側に反射率が小さい側を合わせることで、波長によるレーザ出力の差を小さくしている。

本実施例においても、第２の実施例と同様、光学軸の向きや波長フィルタを構成する複屈折板の膜厚を最適に選ぶことによって、発振可能な２波長を任意に選ぶことが可能である。

また、アレキサンドライト結晶は、結晶のｂ軸の方向に電界成分を有する光の利得がそれに直交する方向に電界成分を有する光の利得に対して大きいことが知られている。すなわち、本実施例の構成においては、構造上ｐ偏光の発振が支配的となるので、偏光板３０５を除去することも可能である。偏光板３０５の挿入は、高出力時の異常発振の防止に効果がある。

さらに、本実施例では、Ｑスイッチを用いた例を示しているが、Ｑスイッチがない場合でもパルス幅１００μｓｅｃ程度のロングパルスでの発振が可能である。この場合、フラッシュランプ３０３に投入するパルス電流と同期して第１、第２の光路遮蔽手段１０９、１１３の開閉を制御することで２つの発振波長を切り替えることが可能となる。

＜実施例４＞
図１４（ａ）は本発明のレーザ装置の第４の実施例に用いる波長フィルタを説明する模式図である。波長フィルタ以外の基本構成は第３の実施例と同じであり、説明は省略する
。

図中、４０１は波長フィルタであり、３枚の複屈折板４０２−１、４０２−２、４０２−３と２枚の偏光板４０３で構成されている。複屈折板４０２−１は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚０．７ｍｍ（所定の厚さの１倍に相当）の石英結晶からなる。複屈折板４０２−２は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚２．８ｍｍ（所定の厚さの４倍に相当）の石英結晶からなり、複屈折板４０２−３は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚１．４ｍｍ（所定の厚さの２倍に相当）の石英結晶からなる。

複屈折板３０８−１、３０８−２、３０８−３はそれぞれ平行に配置されており、発振する光の入射角がブリュースター角となるように配置されている。また、それらの光学軸の方向は一致している。複屈折板の板面内で紙面に平行な方向を０−１８０度、紙面に垂直な方向を９０−２７０度とすると、複屈折板の光学軸の方向が４２．５度の方向になるように各複屈折板が配置されている。また、各複屈折板の間には、偏光板４０３が紙面に平行な方向に電界成分を有するｐ偏光の光のみを透過するように配置されている。

図１４（ｂ）は図１４（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ４０１に入射した場合の、波長フィルタ４０１のｐ偏光のパワー透過率である。図１４（ｃ）は図１４（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ４０１に入射した場合の、波長フィルタ４０１のｓ偏光のパワー透過率である。
図１４（ｂ）と図１２（ｂ）、図１４（ｃ）と図１３（ｂ）とを比較すると、本実施例では、透過スペクトルのサイドローブが抑圧できていることがわかる。

第３の実施例と同様、第１、第２の光路遮蔽手段１０９、１１３の開閉動作、およびＱスイッチ３０９のＯＮ／ＯＦＦを制御することで２つの発振波長（７９８ｎｍ、７５１ｎｍ）を切り替えることが可能となる。

また、本実施例では、波長フィルタの透過スペクトルのサイドローブが抑圧されているため、発振波長の安定化、高出力時の異常発振の防止に効果がある。

上記の第１から第４の実施例において、波長フィルタを厚さ０．７ｍｍ、２．８ｍｍ、１．４ｍｍの３枚の複屈折板を用いて構成しているがこれに限ったものではなく、必要とされるスペクトル幅に合わせて枚数や膜厚を選択すればよい。その際、偏光分岐素子に最も近い側の複屈折板の厚さを所望の厚さの奇数倍、その他の複屈折板の厚さを所望の厚さの偶数倍となるように選べばよい。

＜実施例５＞
図１５は本発明のレーザ装置の第５の実施例を説明する模式図である。第３の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第３の実施例との違いは、波長フィルタの構成と、第１の共振器と第２の共振器の非共通部分（第１と第２の非共通部分）の構成である。

図１５中、５０１は波長フィルタである。５０３は偏光ビームスプリッタからなる偏光分岐素子であり、ｐ偏光を透過、ｓ偏光を反射する機能を有する。５０５は第１の共振器に設けられた光シャッターからなる第１の光路遮断手段である。５０７は第１の分散プリズム、５０９は９９％の反射率を有する第１のリアミラーである。５１１は第２の共振器に設けられた光シャッターからなる第２の光路遮断手段である。５１３は第２の分散プリズム、５１５は９９％の反射率を有する第２のリアミラーである。

以下、波長フィルタ５０１の特性について説明する。
波長フィルタ５０１は、厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚０．７ｍｍ（所定の厚さの１倍に相当）の石英結晶からなる。波長フィルタ５０１を光が伝搬する時、波長７９９ｎｍ（第１の波長に相当）の光に対して、常光と異常光の位相差が１８０度の偶数倍となり、波長７５２ｎｍ（第２の波長に相当）の光に対して、常光と異常光の位相差が１８０度の奇数倍となる。紙面に平行な方向をｐ偏光の電界方向とし、その方向を０−１８０度、紙面に垂直な方向をｓ偏光の電界方向とし、その方向を９０−２７０度とすると、光学軸の方向が４５度の方向になるように波長フィルタ５０１が配置されている。波長フィルタ５０１の両面には反射防止膜（図中不指示）が形成されている。

図１５（ａ）は、第１の光路遮蔽手段５０５を開状態、第２の光路遮蔽手段５１１を閉状態とした場合の模式図であり、図１５（ｂ）は、第１の光路遮蔽手段５０５を閉状態、第２の光路遮蔽手段５１１を開状態とした場合の模式図である。

図１６（ａ）は図１５（ａ）の一部である。図１６（ｂ）は図１６（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ５０１に入射した場合の、波長フィルタ５０１のｐ偏光のパワー透過率である。また、図１６（ｃ）は、図１６（ａ）中の左側からｐ偏光で光が波長フィルタ５０１に入射した場合の、波長フィルタ５０１のｓ偏光のパワー透過率である。
図１６（ｂ）より、図１５（ａ）の状態では、波長７９９ｎｍの近傍の光の発振しきい値が小さくなる。また、図１６（ｃ）より、図１５（ｂ）の状態では、波長７５２ｎｍの近傍の光の発振しきい値が小さくなる。

本実施例では、波長フィルタ５０１の透過スペクトルの帯域が広いため、波長７９９ｎｍの光を選択的に反射するように、第１の分散プリズム５０７、第１のリアミラー５０９からなる第１の反射機構を第１の共振器の非共有部分に設けている。また、波長７５２ｎｍの光を選択的に反射するように、第２の分散プリズム５１３、第２のリアミラー５１５からなる第２の反射機構を第２の共振器の非共有部分に設けている。第１のリアミラー５０９および第２のリアミラー５１５は所望の波長を効率よく反射するように角度が調整されている。

以上の構成により、フラッシュランプ３０３に投入するパルス電流と同期して第１、第２の光路遮蔽手段５０５、５１１の開閉動作、およびＱスイッチ３０９のＯＮ／ＯＦＦを制御することで２つの発振波長を切り替えることが可能となる。

＜実施例６＞
図１７に本発明によるレーザ装置を光音響装置に組み込んだ例を示す。
図中、１００１は第３の実施例で示したアレキサンドライト結晶を用いたレーザ装置である。１００３はバンドルファイバで構成された光伝送手段であり、１００５は光照射手段である。１００７は被検体、１００９および１０１１は被検体を挟んで保持する保持板である。保持板１００９および１０１１は、例えば、厚さ１０ｍｍのポリメチルペンテン樹脂で構成されている。１０１３は２次元アレイ状に配置されている音響波検出器である。１００６は光照射手段１０５より発せられた照射光である。音響波検出器１０１３の前面で被検体１００７に照射光１００６が当たるように、光照射手段１００５の内部に設けられた図中不図示の光学系、例えばレンズなどで照射面積が調整されている。また、音響波検出器１０１３と保持板１０１１の間には音響波を伝搬しやすくするため水が充填されている（図中不指示）。

本実施例では、レーザ装置１００１は、２つの波長、７９８ｎｍおよび７５１ｎｍで発振可能で、パルス幅約５０ｎｓｅｃ、パルスエネルギー約２００ｍＪのレーザ光を発振可能な構成である。

音響波検出器１０１３としては、素子サイズ２ｍｍ角、素子ピッチ２ｍｍ、中心検出周波数１ＭＨｚの圧電素子からなるトランスデューサを横１０個、縦１５個の２次元アレイ状に並べたものを用いている。

音響波検出器１０１３で受信された時系列の受信信号は、信号処理部１０１５によって、例えば整相加算（ディレイアンドサム：Ｄｅｌａｙ−ａｎｄ−Ｓｕｍ）アルゴリズムを用いて被検体内部の光音響画像に変換される。光音響画像をディスプレイ（図中不指示）に表示することでオペレーターが観察可能となる。

この光音響画像は被検体内部の音圧分布を表しており、音圧分布は光の吸収率に比例するので、２つの波長の光を用いて取得した２つの光音響画像を比較、演算すれば、被検体内部で吸収率の波長依存が大きい部位と、波長依存が小さい部位を識別することができる。

例えば、被検体１００７として、酸化型ヘモグロビン及び還元型ヘモグロビンを模倣した血管を生体表面から３０ｍｍの深さに配置した生体模倣サンプルを用いた。レーザ装置１００１を、繰り返し周波数２０Ｈｚでパルス毎に波長を７９８ｎｍおよび７５１ｎｍを切り替えて測定した。取得した２つの光音響画像を比較、演算した結果、酸化型ヘモグロビンの濃度の差を可視化することができた。

本実施例の光音響装置を乳房などの生体に応用した場合は、パルス毎に波長を切り替えることによって、呼吸や脈動などによる動きの影響がキャンセルできるので、高精度な画像取得が可能になる。

１０１：レーザ媒質，１０３：波長フィルタ，１０７：偏光分岐素子，１０９：第１の光路遮断手段，１１１：第１のリアミラー，１１３：第２の光路遮断手段，１１５：第２のリアミラー，１１７：アウトプットカップラ

Claims (17)

1. 出力手段と、第１および第２の反射手段との間に分岐手段が配置された共振器であって、当該共振器内の光路は、前記出力手段と前記分岐手段の間の共有部分と、前記分岐手段と前記第１および第２の反射手段それぞれとの間の第１および第２の非共有部分とを含む共振器と、
   前記共有部分に配置されたレーザ媒質および波長フィルタと、
   前記レーザ媒質を励起する励起手段と、
   前記第１および第２の非共有部分にそれぞれ配置された第１および第２の遮蔽手段と、を有し、発振する光の波長を第１および第２の波長から選択できるレーザ装置であって、
   前記波長フィルタは、前記第１の波長の光を第１の偏光で入射した場合において、前記第１の偏光の透過率が第２の偏光の透過率よりも大きく、前記第２の波長の光を前記第１の偏光で入射した場合において、前記第１の偏光の透過率が前記第２の偏光の透過率よりも小さくなるものであり、
   前記分岐手段は、前記第１の偏光と前記第２の偏光を分岐する機能を有し、
   前記第１および第２の遮蔽手段の一方が開状態となり、他方が閉状態となることで発振する光の波長が選択される
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記第１の偏光はｐ偏光であり、前記第２の偏光は前記第１の偏光と直交するｓ偏光である
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記分岐手段は、偏光分岐素子であり、前記第１の偏光であるｐ偏光と前記第２の偏光であるｓ偏光を分岐する機能を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記波長フィルタは、複屈折板で構成されており、当該複屈折板の厚さは所定の厚さである
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
5. 前記波長フィルタは、複数の複屈折板で構成されており、前記分岐手段に最も近い位置の複屈折板の厚さは所定の厚さの奇数倍であり、それ以外の複屈折板の厚さは前記所定の厚さの偶数倍である
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
6. 前記波長フィルタを構成する複数の複屈折板の間に、前記第１の偏光を透過する偏光板が挿入されている
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
7. 前記所定の厚さは、前記複屈折板を光が伝搬する際の、前記第１の波長における常光と異常光の位相差が１８０度の偶数倍となり、かつ、前記第２の波長における常光と異常光の位相差が１８０度の奇数倍となるように設定されている
   ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
8. 前記波長フィルタを構成する複屈折板は、光が垂直に入射するように配置されている
   ことを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
9. 前記波長フィルタを構成する複屈折板の各面に反射防止膜が形成されている
   ことを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記波長フィルタを構成する複屈折板は、光がブリュースター角で入射するように配置されている
    ことを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
11. 前記波長フィルタは、前記複屈折板の板面に垂直な軸を中心に回転することが可能であり、前記波長フィルタの回転により、前記第１の波長および第２の波長の差を保ったままでそれぞれの波長をシフトすることができる
    ことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ装置。
12. 前記波長フィルタを構成する複屈折板は、光学軸が板面に平行になるように加工された単軸結晶であり、かつ、複数の複屈折板の光学軸の方向が一致している
    ことを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ装置。
13. 前記第１の非共有部分に、前記第１の波長の光を選択的に反射する第１の反射機構を有し、前記第２の非共有部分に、前記第２の波長の光を選択的に反射する第２の反射機構を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
14. 前記第１の反射機構は、第１の分散プリズム、および、前記第１の波長の光を反射する角度に調整された第１のミラーで構成され、
    前記第２の反射機構は、第２の分散プリズム、および、前記第２の波長の光を反射する角度に調整された第２のミラーで構成される
    ことを特徴とする請求項１３に記載のレーザ装置。
15. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置が発振した光を照射された被検体から発生する音響波を受信する音響波検出器と、
    前記音響波から前記被検体内の情報を取得する信号処理部と、
    を有することを特徴とする光音響装置。
16. 前記第１および第２の波長はそれぞれ、酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンの吸収特性に対応する波長である
    ことを特徴とする請求項１５に記載の光音響装置。
17. 前記被検体内の情報は酸素飽和度である
    ことを特徴とする請求項１６に記載の光音響装置。

Images