JP2015029048A - レーザ装置及び光音響計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ装置及び光音響計測装置において、複数波長のうち、特にレーザ利得が低い波長において出力低下を抑制でき、かつ、短パルス化を可能とする。【解決手段】レーザロッド５１は、第１の波長と第２の波長とに発光波長を有する。第１の波長の発光効率は第２の波長の発光効率よりも低い。第１のミラー５３と第２のミラー５４は、第１の波長の光を発振する第１の共振器を構成する。第１のミラー５３と第２のミラー５４は、第２の波長の光を発振する共振器を構成する。第１のＱ値変更部５６は、第１の共振器と第２の共振器とに共通の部分に配置され、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を制御する。第２のＱ値変更部５７は、第２のミラー５４と第３のミラー５５との間に配置され、第２の共振器のＱ値を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ装置に関し、更に詳しくは、第１の波長の光及び第２の波長の光を出射可能なレーザ装置に関する。また、本発明は、そのようなレーザ装置を含む光音響計測装置に関する。

従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波が発生する。この音響波を超音波プローブなどで検出し、検出された信号（光音響信号）に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。光音響画像化方法では、特定の光吸収体において音響波が発生するため、生体における特定の組織、例えば血管等を画像化することができる。

ところで、生体組織の多くは光吸収特性が光の波長に応じて変わり、また一般に、その光吸収特性も組織ごとに特有のものとなっている。例えば図１７に、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)と、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の光波長ごとの分子吸収係数を示す。動脈の光吸収特性は、酸素化ヘモグロビンのそれに対応し、静脈の光吸収特性は、脱酸素化ヘモグロビンのそれに対応する。この波長に応じた光吸収率の違いを利用して、互いに異なる２種の波長の光を血管部分に照射し、動脈と静脈とを区別して画像化する光音響画像化方法が知られている（例えば特許文献２参照）。

ここで、可変波長レーザに関して、特許文献３には、分岐用偏光子と共振光路選択部とを用いて複数波長の発振を行うレーザ装置が記載されている。図１８は、特許文献３に記載のレーザ装置を示す。このレーザ装置は、フラッシュランプ１２１４を励起源とするアレキサンドライトレーザであり、波長７５５ｎｍと波長８００ｎｍのレーザ発振が可能である。発振される光束の偏光方向は紙面面内でありｐ偏光である。

共通光路１２０９上には、共振光路選択部を構成するポッケルスセル１２０５が配置される。ポッケルスセル１２０５には、波長８００ｎｍを発振する際には入射した直線偏光の偏光方向を９０°回転させる電圧が印加され、波長７５５ｎｍを発振する際には電圧は印加されない。光路分岐部である偏光子１２０４は、ｐ偏光を透過しｓ偏光を反射する。偏光子１２０４を透過した光は、第１の分岐光路１２１０を進み、第１の反射プリズム１２０７で反射する。一方、偏光子１２０４で反射した光は、第２の分岐光路１２１１を進み、第２の反射プリズム１２０８で反射する。

第１の反射プリズム１２０７は、入射光に対してブリュースター角となるように配置される。第１の反射プリズム１２０７は、波長７５５ｎｍの光を選択的に反射する誘電体反射膜を有する。第２の反射プリズム１２０８は、波長８００ｎｍの光を選択的に反射する誘電体反射膜を有する。出力鏡１２０２と第１の反射プリズム１２０７とにより、波長７５５ｎｍの共振器が構成される。また、出力鏡１２０２と第２の反射プリズム１２０８とにより、波長８００ｎｍの共振器が構成される。

共通光路１２０９上には、ポッケルスセル１２１２及びλ／４波長板１２１３により構成されるＱスイッチも配置されている。フラッシュランプ１２１４を点灯するとき、Ｑスイッチを構成するポッケルスセル１２１２には電圧が印加されず、Ｑスイッチはオフしている。フラッシュランプ１２１４の点灯後、アレキサンドライト結晶１２０３における反転分布密度が十分に高くなるタイミングでＱスイッチをオンにする。出力鏡１２０２と第１の反射プリズム１２０７とによって構成される共振器、又は出力鏡１２０２と第２の反射プリズム１２０８とによって構成される共振器でレーザ発振が起こり、出力鏡１２０２からパルスレーザ光が出射する。

共振光路選択部を構成するポッケルスセル１２０５に電圧が印加されてない場合、アレキサンドライト結晶１２０３から出射したｐ偏光の光は、ポッケルスセル１２０５をｐ偏光のまま透過し、ｐ偏光を透過する偏光子１２０４を透過して第１の分岐光路１２１０を通り、第１の反射プリズム１２０７で反射する。第１の反射プリズム１２０７で反射した光は、偏光子１２０４及びポッケルスセル１２０５をｐ偏光のまま逆向きに通り、アレキサンドライト結晶１２０３に入射する。出力鏡１２０２と第１の反射プリズム１２０７とにより共振器が構成され、レーザ発振が起こる。第１の反射プリズム１２０７が波長７５５ｎｍの光を選択的に反射することで、波長７５５ｎｍの光が発振する。

ポッケルスセル１２０５に入射光の偏光方向を９０°回転させる電圧が印加される場合、アレキサンドライト結晶１２０３から出射したｐ偏光の光は、ポッケルスセル１２０５を透過する際に偏光方向が９０°回転してｓ偏光となる。ｓ偏光となった光は、偏光子１２０４で反射して第２の分岐光路１２１１を通り、第２の反射プリズム１２０８で反射する。第２の反射プリズム１２０８で反射した光は、偏光子１２０４を逆向きに通り、ポッケルスセル１２０５に逆向きに入射する。ポッケルスセル１２０５にｓ偏光で入射した光は、ポッケルスセル１２０５を通過する際に偏光方向が９０°回転され、ｐ偏光となってアレキサンドライト結晶１２０３に入射する。出力鏡１２０２と第２の反射プリズム１２０８とにより共振器が構成され、レーザ発振が起こる。第２の反射プリズム１２０８が波長８００ｎｍの光を選択的に反射することで、波長８００ｎｍの光が発振する。

特開２００５−２１３８０号公報 特開２０１０−０４６２１５号公報 特開２０１３−８９６８０号公報 特公昭５９−１７８７２号公報

A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata, Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)

特許文献３では、波長７５５ｎｍの共振器と波長８００ｎｍの共振器とに共通の共通光路にポッケルスセルが２つ挿入されている。すなわち、Ｑスイッチ用のポッケルスセル１２１２と共振器光路選択用のポッケルスセル１２０５とが共通光路に挿入されている。光がポッケルスセルを通過する際に光のロスが発生するため、特許文献３に記載のレーザは、Ｑスイッチ用のポッケルスセルが共振器内に１つだけ配置される通常のＱスイッチレーザに比べて、光損失が大きい。アレキサンドライトレーザにおいて、波長７５５ｎｍのレーザ利得と８００ｎｍのレーザ利得とを比べると、波長８００ｎｍの方がレーザ利得が低く、特にレーザ出力が低い波長８００ｎｍにおいて、余分な出力ロスを抑制したいという要望がある。

また、光音響計測において、パルス光照射に起因して発生する光音響波の強度は、照射するパルス光のパルス幅に依存して変化する。強い光音響波を発生させるために、パルス幅が短いパルス光を照射することが好ましい。一般に、パルスレーザ光のパルス幅は共振器長に依存して変化し、共振器長を短くすることで短波パルス化が可能である。しかし、特許文献３では、両波長に共通の共通光路にポッケルスセルが２つ挿入されているため、共振器長を短くできない。

本発明は、上記に鑑み、複数波長のうち、特にレーザ利得が低い波長において出力低下を抑制でき、かつ、短パルス化が可能な波長可変のレーザ装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記レーザ装置を含む光音響計測装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は、第１の波長と第２の波長とに発光波長を有する固体のレーザ媒質であって、第１の波長の発光効率が第２の波長の発光効率よりも低いレーザ媒質と、レーザ媒質を間欠的に励起する励起手段と、レーザ媒質を挟んで対向する第１のミラー及び第２のミラーで構成され、第１の波長の光を発振する第１の共振器と、第１のミラーと、レーザ媒質及び第２のミラーを挟んで第１のミラーと対向する第３のミラーとで構成され、第２の波長の光を発振する第２の共振器と、第１の共振器と第２の共振器とに共通の部分に配置された、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を制御する第１のＱ値変更部と、第２のミラーと第３のミラーとの間に配置された、第２の共振器のＱ値を制御する第２のＱ値制御部とを備えたレーザ装置を提供する。

本発明のレーザ装置は、第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部を駆動し、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を、それぞれ共振器のＱ値が発振しきい値よりも低い低Ｑ状態にする第１の駆動状態、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を、それぞれ共振器のＱ値が発振しきい値よりも高い高Ｑ状態にする第２の駆動状態、及び、第１の共振器のＱ値を高Ｑ状態にし、かつ第２の共振器のＱ値を低Ｑ状態にする第３の駆動状態の間で駆動状態を切り替える制御回路を更に備えた構成であってもよい。

制御回路は、レーザ媒質の励起時は第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部の駆動状態を第１の駆動状態としてもよい。

制御回路は、レーザ媒質の励起後、発振波長が第１の波長のときは第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部の駆動状態を第１の駆動状態から第３の駆動状態へと変化させ、発振波長が第２の波長のときは第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部を第１の駆動状態から第２の駆動状態へと変化させることが好ましい。

制御回路は、発振波長が第２の波長のときは、第２の共振器のＱ値が高Ｑ状態となるように第２のＱ値変更部を駆動するのと同時に第１の共振器のＱ値が高Ｑ状態となるように第１のＱ値変更部を駆動することとすればよい。これに代えて、第２の共振器のＱ値が高Ｑ状態となるように第２のＱ値変更部を駆動した後に第１の共振器のＱ値が高Ｑ状態となるように第１のＱ値変更部を駆動してもよい。

第１のＱ値変更部は、第１の共振器と第２の共振器とに共通の光路上に配置され、印加電圧に応じて第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を変化させる第１のＱスイッチを含んでいてもよい。この場合、制御回路は、第１のＱスイッチの印加電圧を制御することで第１のＱ値変更部を駆動すればよい。

第１のＱスイッチは、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態にし、印加電圧が、絶対値が第１の電圧の絶対値よりもが小さいＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき第１の共振器及び第２の共振器を高Ｑ状態にするものであってよい。第１の電圧は、例えば第１のＱスイッチが通過する光に対して１／４波長板として働く電圧であってよい。第２の電圧は例えば無電圧（０Ｖ）であってよい。

第１のＱ値変更部は、第１のＱスイッチと第１のミラー及び第２のミラーの一方との間に配置された１／４波長板を更に含んでいてもよい。この場合、第１のＱスイッチは、上記とは異なり、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態にし、印加電圧が、絶対値が第１の電圧の絶対値よりも大きいＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき第１の共振器及び第２の共振器を高Ｑ状態にするものであってよい。第１の電圧は例えば無電圧（０Ｖ）であってよい。第２の電圧は、例えば第１のＱスイッチが１／４波長板として働く電圧であってよい。

上記の場合、Ｑスイッチオンに対応した第２の電圧が、第１の波長の発振時と第２の波長の発振時とで異なっていてもよい。

第２のＱ値変更部は、第２のミラーと第３のミラーとの間に配置され、印加電圧に応じて第２の共振器のＱ値を変化させる第２のＱスイッチを含んでいてもよい。この場合、制御回路は、第２のＱスイッチの印加電圧を制御することで２のＱ値変更部を駆動すればよい。

第２のＱ値変更部が、第２のＱスイッチと第３のミラーとの間に配置された１／４波長板を更に含んでいてもよい。この場合、第２のＱスイッチは、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第３の電圧のとき第２の共振器を低Ｑ状態にし、印加電圧が、絶対値が第３の電圧の絶対値よりも大きいＱスイッチオンに対応した第４の電圧のとき第２の共振器を高Ｑ状態にするものであってよい。第３の電圧は例えば無電圧（０Ｖ）であってよい。第４の電圧は、例えば第２のＱスイッチを１／４波長板として働かせる電圧であってよい。

第２のミラーは、第１の波長の光を反射し、第２の波長の光を透過するものであってよい。

第１のミラーを、第１の波長の光及び第２の波長の光の出力ミラーとしてもよい。

第１のミラーの第１の波長の光に対する反射率は、第２の波長の光に対する反射率よりも高く設定されていてもよい。

上記に代えて、第１のミラーを第１の波長の光の出力ミラーとし、かつ第３のミラーを第２の波長の光の出力ミラーとしてもよい。その場合、第１のミラーの第２の波長の光に対する反射率を第３のミラーの第２の波長の光に対する反射率よりも高く設定してもよい。

第１のミラーを第１の波長の光の出力ミラーとし、かつ第３のミラーを第２の波長の光の出力ミラーとした場合、第１のミラーの第１の波長の光に対する反射率を、第３のミラーの第２の波長の光に対する反射率よりも高く設定してもよい。

第１のミラーを第１の波長の光の出力ミラーとし、かつ第３のミラーを第２の波長の光の出力ミラーとするのに代えて、第１のミラーを第１の波長の光及び第２の波長の光の出力ミラーとし、かつ第３のミラーを第２の波長の光の出力ミラーとしてもよい。その場合、第１のミラーにおける第１の波長の光に対する反射率は第２の波長の光に対する反射率と同じであってもよい。

第１のミラー、第２のミラー、及び第３のミラーのうちの少なくとも１つが光軸方向に沿って移動可能に構成されていてもよい。

第１の波長の発振の繰り返し周波数は、第２の波長の発振の繰り返し周波数よりも高くてもよい。

本発明のレーザ装置は、第１の共振器の光路と第２の共振器の光路との少なくとも一方に、レーザ媒質から離れる方向に向かって光束を拡大するビームエキスパンダを更に備える構成としてもよい。

ビームエキスパンダは、例えばレーザ媒質と第２のミラーとの間に配置できる。

上記に代えて、ビームエキスパンダを、第２のミラーと第２のＱ値制御部との間に配置してもよい。

ビームエキスパンダは凹レンズと凸レンズとを含んでいてもよい。第２のミラーが凹面ミラーであるとき、第２のミラーはビームエキスパンダの凹レンズを兼ねてもよい。

本発明のレーザ装置では、第１のミラーを平面ミラーとし、第２のミラー及び第３のミラーを凹面ミラーとしてもよい。この場合において、第１のミラーから見て第２のミラーよりも遠方にある第３のミラーの曲率半径は、第２のミラーの曲率半径よりも短いことが好ましい。

上記に代えて、第１のミラーを凹面ミラーとし、第２のミラー及び第３のミラーを平面ミラーとしてもよい。

本発明のレーザ装置では、第１の波長の発振時と第２の波長の発振時とでレーザ媒質の励起エネルギーが個別に設定されることが好ましい。例えば、第２の波長の発振時における励起エネルギーを、第１の波長の発振時における励起エネルギーよりも低くするとよい。

本発明のレーザ装置は、第２のミラーと第３のミラーとの間に、第２の波長の光に対して損失を与える光学フィルタを更に備える構成としてもよい。この場合でも、第１の共振器における第１の波長の発振しきい値は、第２の共振器における第２の波長の発振しきい値よりも高いことが好ましい。

本発明は、また、第１の波長と第２の波長とに発光波長を有する固体のレーザ媒質であって、第１の波長の発光効率が第２の波長の発光効率よりも低いレーザ媒質と、レーザ媒質を間欠的に励起する励起手段と、レーザ媒質を挟んで対向する第１のミラー及び第２のミラーで構成され、第１の波長の光を発振する第１の共振器と、第１のミラーと、レーザ媒質及び第２のミラーを挟んで第１のミラーと対向する第３のミラーとで構成され、第２の波長の光を発振する第２の共振器と、第１の共振器と第２の共振器とに共通の部分に配置された、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を制御する第１のＱ値変更部と、第２のミラーと第３のミラーとの間に配置された、第２の共振器のＱ値を制御する第２のＱ値制御部とを備えたレーザ装置と、第１及び第２の波長のレーザ光が被検体に出射されたときに被検体内で生じた光音響信号を検出し、第１及び第２の波長のそれぞれに対応した第１及び第２の光音響データを生成する検出手段とを備えたことを特徴とする光音響計測装置を提供する。

本発明のレーザ装置は、特に発光効率が低い第１の波長において出力低下を抑制できる。また、本発明のレーザ装置では、第１の波長についてパルス光の短パルス化が可能である。

本発明の第１実施形態に係る光音響画像計測装置を示すブロック図。 第１実施形態に係るレーザ光源ユニットの構成を示すブロック図。 アレキサンドライトの利得を示すグラフ。 励起エネルギーとパルスレーザ光のパルス幅との関係を示すグラフ。 励起エネルギーとパルスレーザ光の出力との関係を示すグラフ。 励起エネルギーとパルスレーザ光のパルス幅との関係を示すグラフ。 励起エネルギーとパルスレーザ光の出力との関係を示すグラフ。 各部の動作波形を示すタイミングチャート。 光音響計測装置の動作手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態に係るレーザ光源ユニットを示すブロック図。 本発明の第３実施形態に係るレーザ光源ユニットを示すブロック図 共振器ミラーに凹面ミラーを用いた変形例のレーザ光源ユニットを示すブロック図。 本発明の第４実施形態に係るレーザ光源ユニットを示すブロック図。 励起エネルギーとレーザ出力との関係を示すグラフ。 本発明の第５実施形態に係るレーザ光源ユニットを示すブロック図。 励起エネルギーとレーザ出力との関係を示すグラフ。 酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの光波長ごとの分子吸収係数を示すグラフ。 特許文献３に記載のレーザ装置を示すブロック図。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置を含む光音響計測装置を示す。光音響計測装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１と、超音波ユニット１２と、レーザ光源ユニット（レーザ装置）１３とを備える。レーザ光源ユニット１３は、被検体に照射されるパルスレーザ光を出射する。レーザ光源ユニット１３は、第１の波長及び第２の波長を含む複数の波長のレーザ光を出射する。レーザの利得係数（発光効率）の波長特性において、第２の波長における利得係数は第１の波長における利得係数よりも高い。

例えば、第１の波長（中心波長）として約８００ｎｍを考え、第２の波長として約７５５ｎｍを考える。先に説明した図１７を参照すると、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)の波長７５５ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも低い。一方、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の波長７５５ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも高い。この性質を利用し、波長８００ｎｍで得られた光音響信号に対して、波長７５５ｎｍで得られた光音響信号が相対的に大きいのか小さいのかを調べることで、動脈からの光音響信号と静脈からの光音響信号とを判別することができる。あるいは、酸素飽和度を計測することができる。

なお、第１の波長と第２の波長の選択に関しては、理論上、選択される二波長において光吸収係数に差があればどのような二波長の組み合わせでもよく、上記した約７５５ｎｍと約８００ｎｍの組み合わせには限定されない。扱いやすさなどを考えると、選択される２つの波長は、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとで光吸収係数が同じになる波長約８００ｎｍ（正確には７９８ｎｍ）と、脱酸素化ヘモグロビンの光吸収係数が極大値となる波長約７５５ｎｍ（正確には７５７ｎｍ）との組み合わせが好ましい。第１の波長は、正確に７９８ｎｍである必要はなく、例えば７９３ｎｍ〜８０２ｎｍの範囲にあれば実用上問題はない。また、第２の波長は、正確に７５７ｎｍである必要はなく、例えば極大値（７５７ｎｍ）付近のピークの半値幅である７４８〜７７０ｎｍの範囲にあれば実用上問題はない。

図２は、レーザ光源ユニット１３の構成を示す。レーザ光源ユニット１３は、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、第１のミラー５３、第２のミラー５４、第３のミラー５５、第１のＱ値変更部５６、第２のＱ値変更部５７、及び制御回路６２を有する。レーザロッド５１は、レーザ媒質である。レーザロッド５１は、第１の波長（８００ｎｍ）と第２の波長（７５５ｎｍ）に発光波長を有する。レーザロッド５１には、例えばアレキサンドライト結晶を用いることができる。

図３に、アレキサンドライトのレーザ利得を示す。アレキサンドライトのレーザ利得は、波長７５５ｎｍ付近でピークとなる。レーザ利得は、波長７５５ｎｍよりも短い波長の範囲では波長が短くなるに連れて単調に減少していく。また、波長７５５ｎｍよりも長い波長の範囲では波長が長くなるに連れて単調に減少していく。アレキサンドライト結晶の波長８００ｎｍにおけるレーザ利得係数は、波長７５５ｎｍにおけるレーザ利得係数よりも低い。

フラッシュランプ５２は、励起光源であり、レーザロッド５１に励起光を照射する。フラッシュランプ５２は間欠的に駆動される。フラッシュランプ５２以外の光源を、励起光源として用いてもよい。

第１のミラー５３、第２のミラー５４、及び第３のミラー５５は、レーザロッド５１の光軸上に沿って並べられている。第１のミラー５３、第２のミラー５４は、レーザロッド５１を挟んで対向する。第３のミラー５５は、第２のミラー５４から見てレーザロッド５１とは反対側に配置され、レーザロッド５１及び第２のミラー５４を挟んで第１のミラー５３と対向する。

第１のミラー５３は、波長８００ｎｍの光及び波長７５５ｎｍの光の出力ミラーである。第１のミラー５３の波長８００ｎｍの光に対する反射率は、波長７５５ｎｍの光に対する反射率よりも高い。例えば、第１のミラー５３の波長８００ｎｍの光に対する反射率は８０％であり、波長７５５ｎｍの光に対する反射率は７０％である。レーザ利得が低い波長８００ｎｍの光に対する反射率を高く設定することで、発振（投入）エネルギーしきい値が下がり、レーザ利得が増加する。これにより、パルスレーザ光の短パルス化が可能である。

第２のミラー５４は、波長８００ｎｍの光を反射し、波長７５５ｎｍの光を透過する。例えば、第２のミラー５４の波長８００ｎｍの光に対する反射率は９９．８％以上であり、波長７５５ｎｍの光に対する反射率は０．５％以下である。第３のミラー５５は、波長７５５ｎｍの光を反射する。第３のミラー５５の波長７５５ｎｍの光に対する反射率は例えば９９．８％以上である。

レーザロッド５１から出射した光のうち、波長８００ｎｍの光は第２のミラー５４で反射し、第１のミラー５３と第２のミラー５４との間を往復する。第１のミラー５３と第２のミラー５４とにより、波長８００ｎｍの光を発振する第１の共振器が構成される。一方、レーザロッド５１から出射した波長７５５ｎｍの光は第２のミラー５４を透過して第３のミラー５５で反射し、第１のミラー５３と第３のミラー５５との間を往復する。第１のミラー５３と第３のミラー５５とにより、波長７５５ｎｍの光を発振する第２の共振器が構成される。第１の共振器の共振器長は、第２の共振器の共振器長よりも短い。第１のミラー５３から第２のミラー５４までの光路は、第１の共振器と第２の共振器とに共通の光路である。

第１のＱ値変更部５６は、第１の共振器と第２の共振器とに共通の部分に配置され、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を制御する。第１のＱ値変更部５６は、例えば第１のミラー５３とレーザロッド５１との間に配置される。これに代えて、レーザロッド５１と第２のミラー５４との間に第１のＱ値変更部５６を配置してもよい。第１のＱ値変更部５６は、第１のＱスイッチ５８と偏光子５９とを含む。第１のＱスイッチ５８は、第１の共振器と第２の共振器とに共通の光路上に配置される。第１のＱスイッチ５８は、印加電圧に応じて、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を変化させる。第１のＱスイッチ５８には、印加電圧に応じて通過する光の偏光状態を変化させる電気光学素子を用いることができる。

偏光子５９は、レーザロッド５１と第１のＱスイッチ５８との間に配置される。偏光子５９は、所定方向の直線偏光のみを透過させる。偏光子５９には、例えば、所定の方向の直線偏光（例えばｐ偏光）を透過し、所定の方向に直交する方向（例えばｓ偏光）を反射するビームスプリッタを用いることができる。なお、レーザロッド５１にアレキサンドライト結晶を用いた場合など、レーザロッド５１が出射する光がｐ偏光であれば、偏光子５９は省略してもよい。

第１のＱスイッチ５８には例えばポッケルスセルが用いられる。第１のＱスイッチ５８は、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態にする。低Ｑ状態とは、共振器のＱ値がレーザ発振しきい値よりも低い状態を指す。第１の電圧は、例えば第１のＱスイッチ５８が１／４波長板として働く電圧である。第１の電圧は正の電圧であっても、負の電圧であってもよい。第１のＱスイッチ５８は、印加電圧がＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき、第１の共振器及び第２の共振器を高Ｑ状態にする。高Ｑ状態とは、共振器のＱ値がレーザ発振しきい値よりも高い状態を指す。第２の電圧の絶対値は、第１の電圧の絶対値よりも小さい。第２の電圧は、例えば０Ｖ（電圧印加なし）であり、このとき第１のＱスイッチ５８を透過する光の偏光状態は変化しない。

第１のＱスイッチ５８に第１の電圧が印加されるとき、第１のＱスイッチ５８は１／４波長板として働き、偏光子５９から第１のＱスイッチ５８に入射したｐ偏光の光は、第１のＱスイッチ５８を通過して円偏光となり、第１のミラー５３で反射して第１のＱスイッチ５８に逆向きに入射する。第１のＱスイッチ５８に逆向きに入射した円偏光の光は、第１のＱスイッチ５８を通過する際にｓ偏光となり、ｓ偏光を反射する偏光子５９で反射して共振器の光路外へ放出される。一方、第１のＱスイッチ５８への印加電圧が０Ｖ（第２の電圧）のとき、偏光子５９から第１のＱスイッチ５８に入射したｐ偏光の光はｐ偏光のまま第１のＱスイッチ５８を透過し、第１のミラー５３で反射する。第１のミラー５３で反射したｐ偏光の光は、偏光状態を変化させずに第１のＱスイッチ５８を透過し、ｐ偏光を透過する偏光子５９を透過してレーザロッド５１に入射する。

第２のＱ値変更部５７は、第２のミラー５４と第３のミラー５５との間に配置され、第２の共振器のＱ値を制御する。第２のＱ値変更部５７は、第２のＱスイッチ６０と１／４波長板６１とを含む。第２のＱスイッチ６０は、第２の共振器の光路上で、かつ第１の共振器の光路外、すなわち第２のミラー５４と第３のミラー５５との間に配置される。第２のＱスイッチ６０は、印加電圧に応じて第２の共振器のＱ値を変化させる。第２のＱスイッチ６０には、印加電圧に応じて通過する光の偏光状態を変化させる電気光学素子を用いることができる。１／４波長板６１は、第２のＱスイッチ６０と第３のミラー５５との間に配置される。

第２のＱスイッチ６０には例えばポッケルスセルが用いられる。第２のＱスイッチ６０は、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第３の電圧のとき第２の共振器を低Ｑ状態にする。第３の電圧は、例えば０Ｖ（電圧印加なし）であり、このとき第２のＱスイッチ６０を透過する光の偏光状態は変化しない。第２のＱスイッチ６０は、印加電圧がＱスイッチオンに対応した第４の電圧のとき第２の共振器を高Ｑ状態にする。第４の電圧の絶対値は第３の電圧の絶対値よりも大きい。第４の電圧は、例えば第２のＱスイッチ６０が１／４波長板として働く電圧である。第４の電圧は、正の電圧であっても、負の電圧であってもよい。

第２のＱスイッチ６０への印加電圧が０Ｖ（第３の電圧）のとき、レーザロッド５１側から第２のミラー５４を通して第２のＱスイッチ６０に入射したｐ偏光の光は、第２のＱスイッチ６０を偏光状態を変化させずに通過し、１／４波長板６１を通過して円偏光となって第３のミラー５５で反射する。第３のミラー５５で反射した円偏光は、１／４波長板６１を逆向きに通ってｓ偏光となり、第２のＱスイッチ６０をｓ偏光のまま通過してレーザロッド５１へ戻る。ここで、第２のミラー５４は波長８００ｎｍの光を反射し、波長７５５ｎｍの光を透過する。このため、第２のミラー５４と第３のミラー５５との間を進行する光は波長７５５ｎｍの光であり、波長８００ｎｍの光は第２のミラー５４から第３のミラー５５側には進行しない。

一方、第２のＱスイッチ６０に第４の電圧が印加されるとき、第２のＱスイッチ６０は１／４波長板として働き、レーザロッド５１側から第２のミラー５４を通して第２のＱスイッチ６０に入射したｐ偏光の光は、第２のＱスイッチ６０を通過する際に円偏光となり、更に１／４波長板６１を通過してｓ偏光となって第３のミラー５５で反射する。第３のミラー５５で反射した光は、１／４波長板６１を逆向きに通って円偏光となり、更に第２のＱスイッチ６０を通過してｐ偏光となって、レーザロッド５１へ戻る。

制御回路６２は、第１のＱ値変更部５６及び第２のＱ値変更部５７を駆動する。制御回路６２は、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を、共振器のＱ値が発振しきい値よりも低い低Ｑ状態にする第１の駆動状態、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を、共振器のＱ値が発振しきい値よりも高い高Ｑ状態にする第２の駆動状態、及び、第１の共振器のＱ値を高Ｑ状態にし、かつ第２の共振器のＱ値を低Ｑ状態にする第３の駆動状態の間で駆動状態を切り替える。制御回路６２は、第１のＱスイッチ５８への印加電圧を制御することで第１のＱ値変更部５６を駆動し、第２のＱスイッチ６０への印加電圧を制御することで第２のＱ値変更部５７を駆動する。制御回路６２は、フラッシュランプ５２の駆動も行う。

制御回路６２は、第１の駆動状態では、第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加して、第１のＱスイッチ５８を１／４波長板として働かせる。また、第２のＱスイッチ６０への印加電圧を０Ｖ（第３の電圧）とし、第２のＱスイッチ６０を通過する光の偏光状態を変化させない。第１のＱスイッチ５８が１／４波長板として働くことで、第１のミラー５３で反射した光はレーザロッド５１に入射しない。また、第２のＱスイッチ６０を通過する光の偏光状態を変化させないことで、第３のミラー５５で反射した波長７５５ｎｍの光をｓ偏光でレーザロッド５１へ入射させる。その結果、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値は低Ｑ状態となり、波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍの双方について、レーザ発振が起こらない。なお、第１のＱスイッチ５８は第１の共振器と第２の共振器とに共通の光路上に配置されており、第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加することで第２の共振器のＱ値を低Ｑ状態にすることができる。このため、第１の駆動状態において、第２のＱスイッチ６０への印加電圧は特に第３の電圧には限定されず、第２のＱスイッチ６０に第４の電圧を印加し、第２のＱスイッチ６０を１／４波長板として働かせていてもよい。

制御回路６２は、第２の駆動状態では、第１のＱスイッチ５８への印加電圧を０Ｖ（第２の電圧）とし、第１のＱスイッチ５８を通過する光の偏光状態を変化させない。また、第２のＱスイッチ６０に第４の電圧を印加して、第２のＱスイッチ６０を１／４波長板として働かせる。第１のＱスイッチ５８を通過する光の偏光状態を変化させないことで、第１のミラー５３で反射した光はｐ偏光でレーザロッド５１に入射する。また、第２のＱスイッチ６０を１／４波長板として働かせることで、第３のミラー５５で反射した波長７５５ｎｍの光はｐ偏光でレーザロッド５１へ入射する。その結果、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値は高Ｑ状態となり、レーザ発振が起こる。波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍとでは、波長７５５ｎｍのレーザ利得の方が波長８００ｎｍのレーザ利得よりも高いため、発振波長はレーザ利得が高い７５５ｎｍとなる。

制御回路６２は、第３の駆動状態では、第１のＱスイッチ５８への印加電圧を０Ｖ（第２の電圧）とし、第１のＱスイッチ５８を通過する光の偏光状態を変化させない。また、第２のＱスイッチ６０への印加電圧を０Ｖ（第３の電圧）とし、第２のＱスイッチ６０を通過する光の偏光状態を変化させない。第１のＱスイッチ５８を通過する光の偏光状態を変化させないことで、第１のミラー５３で反射した光はｐ偏光でレーザロッド５１に入射する。また、第２のＱスイッチ６０を通過する光の偏光状態を変化させないことで、第３のミラー５５で反射した波長７５５ｎｍの光をｓ偏光でレーザロッド５１へ入射させる。その結果、第１の共振器は高Ｑ状態で、かつ第２の共振器のＱ値は低Ｑ状態となり、第１の共振器でレーザ発振が起こる。第１の共振器は波長８００ｎｍの共振器であり、発振波長は８００ｎｍとなる。

制御回路６２は、レーザロッド５１の励起時は、第１のＱ値変更部５６及び第２のＱ値変更部５７の駆動状態を第１の駆動状態とする。すなわち、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を低Ｑ状態にしてフラッシュランプ５２を点灯し、レーザロッド５１の励起を行う。制御回路６２は、レーザロッド５１の励起後、発振波長が８００ｎｍのときは第１のＱ値変更部５６及び第２のＱ値変更部５７の駆動状態を第１の駆動状態から第３の駆動状態へと変化させる。第３の駆動状態では、第１の共振器が高Ｑ状態で、かつ第２の共振器が低Ｑ状態であるため、発振波長は波長８００ｎｍとなる。第１の共振器のＱ値を低Ｑ状態から高Ｑ状態へ急激に変化させることで、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を得ることができる。

制御回路６２は、レーザロッド５１の励起後、発振波長が７５５ｎｍのときは第１のＱ値変更部５６及び第２のＱ値変更部５７の駆動状態を第１の駆動状態から第２の駆動状態へと変化させる。このとき制御回路６２は、第２の共振器が高Ｑ状態となるように第２のＱ値変更部５７を駆動するのと同時に第１の共振器が高Ｑ状態となるように第１のＱ値変更部５６を駆動する。あるいは、第２の共振器が高Ｑ状態となるように第２のＱ値変更部５７を駆動した後に第１の共振器が高Ｑ状態となるように第１のＱ値変更部５６を駆動してもよい。第２の駆動状態では、双方の共振器が高Ｑ状態となるが、発振波長は、波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍとのうちでレーザ利得が高い７５５ｎｍとなる。第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を低Ｑ状態から高Ｑ状態へ急激に変化させることで、波長７５５ｎｍのパルスレーザ光を得ることができる。

図４は、励起エネルギーとパルスレーザ光のパルス幅との関係を示す。同図には、２つの共振器長について、励起エネルギーとパルス幅との関係を示している。グラフ（ａ）は共振器長が短い共振器を用いた場合の励起エネルギーとパルス幅との関係を示し、グラフ（ｂ）は共振器長が長い共振器を用いた場合の励起エネルギーとパルス幅との関係を示す。グラフ（ａ）とグラフ（ｂ）を参照すると、励起エネルギーを一定とした場合、共振器長が短い方が、共振器長が長い場合に比べてパルス幅を短くできることがわかる。レーザ光源ユニット１３（図２参照）では、第１の共振器は第２の共振器よりも共振器長が短いため、波長８００ｎｍのパルスレーザ光のパルス幅を、波長７５５ｎｍのパルスレーザ光のパルス幅よりも短くできる。

図５は、励起エネルギーとレーザ出力との関係を示す。同図には、２つの共振器長について、励起エネルギーとレーザ出力との関係を示す。グラフ（ａ）は共振器長が短い共振器を用いた場合の励起エネルギーとレーザ出力との関係を示し、グラフ（ｂ）は共振器長が長い共振器を用いた場合の励起エネルギーとレーザ出力との関係を示す。グラフ（ａ）とグラフ（ｂ）を参照すると、励起エネルギーを一定とした場合、共振器長が短い方が、共振器長が長い場合に比べてレーザ出力を上げることができることがわかる。レーザ光源ユニット１３では、第１の共振器は第２の共振器よりも共振器長が短く、双方の共振器の共振器長を同じにした場合に比べて、波長８００ｎｍの光のレーザ出力を上げることができる。

図６は、励起エネルギーとパルスレーザ光のパルス幅との関係を示す。同図において、グラフ（ａ）は、出力ミラーである第１のミラー５３の反射率を８０％とした場合の励起エネルギーとパルス幅との関係を示し、グラフ（ｂ）は第１のミラー５３の反射率を６０％とした場合の励起エネルギーとパルス幅との関係を示す。グラフ（ａ）とグラフ（ｂ）を参照すると、励起エネルギーを一定とした場合、出力ミラーの反射率が高い方が、出力ミラーの反射率を低くした場合に比べてパルス幅を短くできることがわかる。第１のミラー５３の波長８００ｎｍの光に対する反射率を、波長７５５ｎｍの光に対する反射率よりも高くすることで、波長８００ｎｍのパルスレーザ光のパルス幅を、波長７５５ｎｍのパルスレーザ光のパルス幅よりも短くできる。

図７は、励起エネルギーとレーザ出力との関係を示す。同図において、グラフ（ａ）は、第１のミラー５３の反射率を８０％とした場合の励起エネルギーとレーザ出力との関係を示し、グラフ（ｂ）は第１のミラー５３の反射率を６０％とした場合の励起エネルギーとレーザ出力との関係を示す。グラフ（ａ）とグラフ（ｂ）を参照すると、励起エネルギーを一定とした場合、出力ミラーの反射率が高い方が、出力ミラーの反射率を低くした場合に比べてレーザ出力を上げることができることがわかる。第１のミラー５３の波長８００ｎｍの光に対する反射率を、波長７５５ｎｍの光に対する反射率よりも高くすることで、双方の波長の反射率を同じにした場合に比べて、波長８００ｎｍの光のレーザ出力を上げることができる。

図８は、レーザ発振時の各部の動作波形を示す。制御回路６２は、時刻ｔ１でフラッシュランプ５２を点灯する（ａ）。制御回路６２は、フラッシュランプ５２を点灯する前に、第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加し（ｂ）、第２のＱスイッチ６０への印加電圧を０Ｖ（第３の電圧）とする（ｃ）。第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加する時刻は、時刻ｔ１よりも少し前の時刻でよい。あるいは、前回のパルスレーザ光出射の後から第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加し続けてもよい。第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加することで、第１のＱスイッチ５８は１／４波長板として働く。また、第２のＱスイッチ６０への電圧印加を行わないことで、第２のＱスイッチ６０を通過する光の偏光状態は変化しない。

時刻ｔ１でレーザロッド５１が励起されると、レーザロッド５１からはｐ偏光の光が出射する。しかしながら、レーザロッド５１から第１のミラー５３方向に出射した光は、１／４波長板として働く第１のＱスイッチ５８を往復して偏光方向が９０°回転し、偏光子５９を通過することができず、レーザロッド５１に帰還しない。また、レーザロッド５１から第２のミラー５４方向に出射した光のうち、波長７５５ｎｍの光は、１／４波長板６１を往復して偏光方向が９０°回転し、所定の偏光軸を持つレーザロッド５１に帰還しない。従って、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値は低Ｑ状態となり、第１の共振器及び第２の共振器は発振しない。

制御回路６２は、時刻ｔ２で第１のＱスイッチ５８への印加電圧を第１の電圧から０Ｖ（第２の電圧）に変化させる（ｂ）。このとき、第２のＱスイッチ６０への印加電圧は０Ｖのまま変化させない（ｃ）。第１のＱスイッチ５８への印加電圧を０Ｖに変化させることで、第１の共振器のＱ値は低Ｑ状態から高Ｑ状態へと変化する。一方で、第２の共振器のＱ値は低Ｑ状態に保たれる。第１の共振器のみが高Ｑ状態となることで、波長８００ｎｍでレーザ発振が起こり、第１のミラー５３から、波長８００ｎｍのパルスレーザ光が出射する（ｄ）。

制御回路６２は、波長８００ｎｍのパルスレーザ光の出射後、時刻ｔ３でフラッシュランプ５２を点灯する（ａ）。制御回路６２は、時刻ｔ３よりも前の時刻に第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加しており（ｂ）、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値は低Ｑ状態となっている。制御回路６２は、時刻ｔ４で、第１のＱスイッチ５８の印加電圧を第１の電圧から０Ｖに変化させ、第２のＱスイッチ６０の印加電圧を０Ｖから第４の電圧に変化させる。第１のＱスイッチ５８の印加電圧と第２のＱスイッチ６０の印加電圧とを同時に変化させるか、又は第２のＱスイッチ６０の印加電圧を先に変化させてから第１のＱスイッチ５８の印加電圧を変化させると、波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍとのうち、レーザ利得が高い波長７５５ｎｍが発振し、第１のミラー５３から、波長７５５ｎｍのパルスレーザ光が出射する（ｄ）。

なお、第１のＱ値変更部５６及び第２のＱ値変更部５７は、第１の共振器及び第２の共振器が共に高Ｑ状態、第１の共振器及び第２の共振器が共に低Ｑ状態、及び第１の共振器が高Ｑ状態で第２の共振器が低Ｑ状態の３つの状態を切り替えられればよく、第１のＱ値変更部５６及び第２のＱ値変更部５７の具体的な構成は上記したものには限定されない。例えば第１のＱ値変更部５６を、第２のＱ値変更部５７と同様に、ポッケルスセルと１／４波長板とを組み合わせたもので構成としてもよいし、第２のＱ値変更部５７を、第１のＱ値変更部５６と同様に、ポッケルスセルと偏光子とを組み合わせたもので構成してもよい。

第１のＱ値変更部５６を、ポッケルスセル（第１のＱスイッチ）と１／４波長板とで構成した場合、１／４波長板は、第１のミラー５３とポッケルスセルとの間に配置される。ポッケルスセルは、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態にし、印加電圧がＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき第１の共振器及び第２の共振器を高Ｑ状態にする。この場合の第１の電圧は例えば０Ｖであり、第２の電圧は例えばポッケルスセルが１／４波長板として働く電圧である。第２の電圧は、正の電圧であっても負の電圧であってもよい。第２の電圧の絶対値は、第１の電圧の絶対値よりも大きい。ここで、ポッケルスセルが１／４波長板として働く電圧は波長に依存して変化するため、Ｑスイッチオンに対応した第２の電圧は、波長８００ｎｍの発振時と波長７５５ｎｍの発振時とで異なる。すなわち、波長８００ｎｍの発振時と波長７５５ｎｍの発振時とで、ポッケルスセルへの印加電圧が異なる。このため、ポッケルスセルへの印加電圧０ＶがＱスイッチオンに対応する構成に比べて、Ｑスイッチのドライブ回路やその制御がやや複雑になる。従って、第１のＱ値変更部５６は、図２に示したように、印加電圧０ＶがＱスイッチオンに対応する構成とすることが好ましい。

第２のＱ値変更部５７については、ポッケルスセルに１／４波長板として働く電圧を印加することで第２の共振器を高Ｑ状態とする構成が好ましい。この構成では、波長７５５ｎｍの発振時にのみポッケルスセルに１／４波長板として働く電圧を印加すればよいため、高電圧を印加する時間が短くて済む。第２のＱ値変更部５７を、第１のＱ値変更部５６と同様な構成した場合は、Ｑスイッチオフに対応した電圧が１／４波長板として働く電圧であるため、ポッケルスセルに高電圧を印加する時間が長くなり、マイグレーションによるポッケルスセルの電極部の劣化が進行する。第２のＱ値変更部５７は、波長７５５ｎｍの光のみを制御すればよいため、１／４波長板として働かせるときに波長に応じて異なる電圧を印加する必要はない。

第１のミラー５３、第２のミラー５４、及び第３のミラー５５のうちの少なくとも１つを、光軸方向に沿って移動可能としてもよい。３つのミラーのうちの少なくとも１つを光軸方向に沿って移動可能とすることで、ミラー間の相対間隔が調整可能であり、第１の共振器の共振器長や第２の共振器の共振器の共振器長が変更可能である。第１の共振器の共振器長及び第２の共振器の共振器長の少なくとも一方を変更することで、波長８００ｎｍのパルスレーザ光のパルス幅及び波長７５５ｎｍのパルスレーザ光のパルス幅の少なくとも一方を変更することができる。この仕組みにより、例えば、ミラーの反射率によるパルス幅の変化を補正することもできる。

図１に戻り、レーザ光源ユニット１３から出射したレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に向けて照射される。レーザ光の照射位置は特に限定されず、プローブ１１以外の場所からレーザ光の照射を行ってもよい。被検体内では、光吸収体が照射されたレーザ光のエネルギーを吸収することで超音波（光音響波）が生じる。プローブ１１は、超音波検出器を含む。プローブ１１は、例えば一次元的に配列された複数の超音波検出器素子（超音波振動子）を有し、その一次元配列された超音波振動子により、被検体内からの音響波（光音響信号）を検出する。

超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、複素数化手段２４、光音響画像再構成手段２５、位相情報抽出手段２６、強度情報抽出手段２７、検波・対数変換手段２８、光音響画像構築手段２９、トリガ制御回路３０、及び制御手段３１を有する。受信回路２１は、プローブ１１が検出した光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は検出手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングし、デジタルデータである光音響データを生成する。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で光音響信号のサンプリングを行う。

ＡＤ変換手段２２は、光音響データを受信メモリ２３に格納する。ＡＤ変換手段２２は、レーザ光源ユニット１３から出射されるパルスレーザ光の各波長に対応した光音響データを受信メモリ２３に格納する。つまり、ＡＤ変換手段２２は、被検体に第１の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１１で検出された光音響信号をサンプリングした第１の光音響データと、第２の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１１で検出された光音響信号をサンプリングした第２の光音響データとを、受信メモリ２３に格納する。

複素数化手段２４は、受信メモリ２３から第１の光音響データと第２の光音響データとを読み出し、何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する。以下では、複素数化手段２４が、第１の光音響データを虚部とし、第２の光音響データを実部とした複素数データを生成するものとして説明する。

光音響画像再構成手段２５は、複素数化手段２４から複素数データを入力する。光音響画像再構成手段２５は、入力された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う。フーリエ変換法による画像再構成には、例えば文献”Photoacoustic Image Reconstruction-A Quantitative Analysis”Jonathan I.Sperl et al. SPIE-OSA Vol.6631 663103 等に記載されている従来公知の方法を適用することができる。光音響画像再構成手段２５は、再構成画像を示すフーリエ変換のデータを位相情報抽出手段２６と強度情報抽出手段２７とに入力する。

位相情報抽出手段２６は、各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する。本実施形態では、位相情報抽出手段２６は、光音響画像再構成手段２５で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、実部と虚部とを比較したときに、相対的に、どちらがどれくらい大きいかを示す位相情報を生成する。位相情報抽出手段２６は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、θ＝ｔａｎ^−１（Ｙ／Ｘ）を位相情報として生成する。なお、Ｘ＝０の場合はθ＝９０°とする。実部を構成する第２の光音響データ（Ｘ）と虚部を構成する第１の光音響データ（Ｙ）とが等しいとき、位相情報はθ＝４５°となる。位相情報は、相対的に第２の光音響データが大きいほどθ＝０°に近づいていき、第１の光音響データが大きいほどθ＝９０°に近づいていく。

強度情報抽出手段２７は、各波長に対応した光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する。本実施形態では、強度情報抽出手段２７は、光音響画像再構成手段２５で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、強度情報を生成する。強度情報抽出手段２７は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２を、強度情報として抽出する。検波・対数変換手段２８は、強度情報抽出手段２７で抽出された強度情報を示すデータの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。

光音響画像構築手段２９は、位相情報抽出手段２６から位相情報を入力し、検波・対数変換手段２８から検波・対数変換処理後の強度情報を入力する。光音響画像構築手段２９は、入力された位相情報と強度情報とに基づいて、光吸収体の分布画像である光音響画像を生成する。光音響画像構築手段２９は、例えば入力された強度情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の輝度（階調値）を決定する。また、光音響画像構築手段２９は、例えば位相情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の色（表示色）を決定する。光音響画像構築手段２９は、例えば例えば位相０°から９０°の範囲を所定の色に対応させたカラーマップに用いて、入力された位相情報に基づいて各画素の色を決定する。

ここで、位相０°から４５°の範囲は、第２の光音響データが第１の光音響データよりも大きい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５５ｎｍに対する吸収の方が大きい脱酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている静脈であると考えられる。一方、位相４５°から９０°の範囲は、第１の光音響データが第２の光音響データよりも大きい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５５ｎｍに対する吸収の方が小さい酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている動脈であると考えられる。

そこで、カラーマップとして、例えば位相が０°が青色で、位相が４５°に近づくに連れて無色（白色）になるように色が徐々に変化すると共に、位相９０°が赤色で、位相が４５°に近づくに連れて白色になるように色が徐々に変化するようなカラーマップを用いる。この場合、光音響画像上で、動脈に対応した部分を赤色で表わし、静脈に対応した部分を青色で表わすことができる。強度情報を用いずに、階調値は一定として、位相情報に従って動脈に対応した部分と静脈に対応した部分との色分けを行うだけでもよい。画像表示手段１４は、光音響画像構築手段２９が生成した光音響画像を表示画面上に表示する。

制御手段３１は、超音波ユニット１２内の各部の制御を行う。トリガ制御回路３０は、レーザ光源ユニット１３に、フラッシュランプ５２（図２）の発光を制御するためのフラッシュランプトリガ信号を出力する。レーザ光源ユニット１３の制御回路６２は、フラッシュランプトリガ信号を受けるとフラッシュランプ５２を点灯し、フラッシュランプ５２からレーザロッド５１に励起光を照射させる。トリガ制御回路３０は、フラッシュランプトリガ信号の出力後、制御回路６２にＱスイッチトリガ信号を出力する。制御回路６２は、発振波長が８００ｎｍのときは第１の共振器のＱ値を低Ｑ状態から高Ｑ状態に変化させる。発振波長が７５５ｎｍのときは第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を低Ｑ状態から高Ｑ状態に変化させる。

トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号のタイミング、すなわちパルスレーザ光の出射タイミングに合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号（ＡＤトリガ信号）を出力する。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号にと基づいて光音響信号のサンプリングを開始する。

次いで動作手順について説明する。図９は、光音響計測装置１０の動作手順を示す。トリガ制御回路３０（図１）は、光音響信号の受信準備が整うと、第１の波長（８００ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるために、レーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を出力する（ステップＳ１）。レーザ光源ユニット１３の制御回路６２（図２）は、フラッシュランプトリガ信号を受け取る前に、第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加し、第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態にしている。制御回路６２は、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプ５２を点灯し、レーザロッド５１を励起させる（ステップＳ２）。

トリガ制御回路３０は、フラッシュランプトリガ信号の出力後、レーザロッド５１が十分に励起された後にＱスイッチトリガ信号をレーザ光源ユニット１３に出力する。制御回路６２は、第１のＱスイッチ５８の印加電圧を第１の電圧から０Ｖに変化させる（ステップＳ３）。このとき制御回路６２は、第２のＱスイッチ６０には０Ｖを印加しており、第１の共振器は高Ｑ状態、第２の共振器は低Ｑ状態に制御される。第１の共振器及び第２の共振器のうち、第１の共振器のみが高Ｑ状態となることで、レーザ光源ユニット１３は、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を出射する。

レーザ光源ユニット１３から出射した波長８００ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響信号が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した光音響信号を検出する。プローブ１１で検出された光音響信号は、受信回路２１にて受信される。

トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号を出力するタイミングに合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を出力する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１で受信された光音響信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする（ステップＳ４）。ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ２３に第１の光音響データとして格納される。

トリガ制御回路３０は、次の光音響信号の受信準備が整うと、第２の波長（７５５ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるために、レーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を出力する（ステップＳ５）。制御回路６２は、フラッシュランプトリガ信号を受け取る前に、第１のＱスイッチ５８に第１の電圧を印加し、第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態にしている。制御回路６２は、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプ５２を点灯し、レーザロッド５１を励起させる（ステップＳ６）。

トリガ制御回路３０は、フラッシュランプ５２の点灯後、レーザロッド５１が十分に励起された後にＱスイッチトリガ信号をレーザ光源ユニット１３に出力する。制御回路６２は、第１のＱスイッチ５８の印加電圧を第１の電圧から０Ｖに変化させ、第２のＱスイッチ６０への印加電圧を０Ｖから第４の電圧に変化させる（ステップＳ７）。このとき制御回路６２は、第１のＱスイッチ５８と第２のＱスイッチ６０とで同時に印加電圧を変化させるか、又は、先に第２のＱスイッチ６０の印加電圧を変化させてから第１のＱスイッチ５８の印加電圧を変化させる。第１のＱスイッチ５８及び第２のＱスイッチ６０の印加電圧を変化させることで、第１の共振器及び第２の共振器は共に高Ｑ状態となる。双方の共振器が高Ｑ状態のときレーザ利得が高い波長７５５ｎｍで発振し、レーザ光源ユニット１３は、波長７５５ｎｍのパルスレーザ光を出射する。

レーザ光源ユニット１３から出射した波長７５５ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響信号が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した光音響信号を検出する。プローブ１１で検出された光音響信号は、受信回路２１にて受信される。

トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号を出力するタイミングに合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を出力する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１で受信された光音響信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする（ステップＳ８８）。ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ２３に第２の光音響データとして格納される。

第１及び第２の光音響データが受信メモリに格納されることで、１フレーム分の光音響画像の生成に必要なデータが揃う。なお、光音響画像を生成する範囲が複数の部分領域に分割されているような場合は、部分領域ごとに、ステップＳ１からＳ８までの処理を実行すればよい。

複素数化手段２４は、受信メモリ２３から第１の光音響データと第２の光音響データとを読み出し、第１の光音響画像データを虚部とし、第２の光音響画像データを実部とした複素数データを生成する（ステップＳ９）。光音響画像再構成手段２５は、ステップＳ９で複素数化された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う（ステップＳ１０）。

位相情報抽出手段２６は、再構成された複素数データ（再構成画像）から位相情報を抽出する（ステップＳ１１）。位相情報抽出手段２６は、例えば再構成された複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、θ＝ｔａｎ^−１（Ｙ／Ｘ）を位相情報として抽出する（ただし、Ｘ＝０の場合はθ＝９０°）。強度情報抽出手段２７は、再構成された複素数データから強度情報を抽出する（ステップＳ１２）。強度情報抽出手段２７は、例えば再構成された複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２を強度情報として抽出する。

検波・対数変換手段２８は、ステップＳ１２で抽出された強度情報に対して検波・対数変換処理を施す。光音響画像構築手段２９は、ステップＳ１１で抽出された位相情報と、ステップＳ１２で抽出された強度情報に対して検波・対数変換処理を施したものとに基づいて、光音響画像を生成する（ステップＳ１３）。光音響画像構築手段２９は、例えば強度情報に基づいて光吸収体の分布画像における各画素の輝度（階調値）を決定し、位相情報に基づいて各画素の色を決定することで、光音響画像を生成する。生成された光音響画像は、画像表示手段１４に表示される。

なお、上記では波長８００ｎｍの光と波長７５５ｎｍの光とを交互に被検体に照射することとしているが、これには限定されない。波長８００ｎｍの発振の繰り返し周波数を、波長７５５ｎｍの発振の繰り返し周波数よりも高くしてもよい。例えばレーザ光源ユニット１３から波長７５５ｎｍの光を出射した後、波長８００ｎｍの光を複数回続けて出射してもよい。この場合、波長８００ｎｍの光に対する光音響信号を複数回取得し、複数回の光音響信号に対して加算平均などの処理を行ってもよい。そのようにすることで、波長８００ｎｍの光音響画像の信号対雑音比を高めることができる。結果として、波長７５５ｎｍの光に対する光音響信号とのコントラスト差を利用して得られる動脈／静脈の分離描出の画質を向上でき、或いは酸素飽和度の演算精度を向上できる。

本実施形態では、第１のミラー５３と第２のミラー５４とで波長８００ｎｍの光を発振する第１の共振器を構成し、第１のミラー５３と第３のミラー５５とで波長７５５ｎｍの光を発振する第２の共振器を構成する。レーザロッド５１は波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍとに発光波長を有し、波長７５５ｎｍの発光効率は波長８００ｎｍの発光効率よりも高い。第１の共振器と第２の共振器とに共通の部分に第１のＱ値変更部５６を配置し、第２のミラー５４と第３のミラー５５との間に第２のＱ値変更部５７を配置する。第１のＱ値変更部５６を駆動することで、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を制御することができる。また、第２のＱ値変更部５７を駆動することで、第１の共振器及び第２の共振器のうち第２の共振器のＱ値のみを制御することができる。

例えば、第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態としてレーザロッド５１の励起を行い、励起後に第１の共振器を高Ｑ状態に切り替え、かつ第２の共振器は低Ｑ状態のままとすることで、波長８００ｎｍをパルス発振させることができる。また、第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態としてレーザロッド５１の励起を行い、励起後に第１の共振器及び第２の共振器を高Ｑ状態とすることで、発光効率が高いが高い波長７５５ｎｍをパルス発振させることができる。

本実施形態では、レーザ利得が低い波長８００ｎｍの共振器には第１のＱスイッチ５８が挿入される。一方で、レーザ利得が高い波長７５５ｎｍの共振器には、第１のＱスイッチ５８と第２のＱスイッチ６０とが挿入される。特許文献３では、双方の波長の共振器にポッケルスセルが２つ挿入されており、特にレーザ利得が低い波長８００ｎｍにおいて出力の低下が問題となった。本実施形態では、第１の共振器に挿入されるポッケルスセルは１つでよく、第１の共振器内に光の偏光状態を変化させる素子を複数個配置する必要がないため、特にレーザ出力が低い波長８００ｎｍについて、複数のポッケルスセルが挿入されることに伴うレーザ出力の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、波長８００ｎｍの光及び波長７５５ｎｍの光の光軸が平行となるよう、第１の共振器と第２の共振器とを一軸上に構成している。このようにすることで、ミラーやＱ値変更部の光学部材を波長８００ｎｍの光及び波長７５５ｎｍの光で共通に用いることができる。更に本実施形態では、第２のミラー５４よりもレーザロッド５１から見て遠い側に第３のミラー５５が配置されており、第１の共振器の共振器長が第２の共振器の共振器長よりも短い。第１の共振器の共振器長を短くすることで、レーザ利得が低い波長８００ｎｍにおいてパルスレーザ光の短パルス化が可能である。

本実施形態では、２つの波長で得られた第１の光音響データと、第２の光音響データとの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成し、その複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成している。このようにする場合、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成する場合に比して、再構成を効率的に行うことができる。複数の波長のパルスレーザ光を照射し、各波長のパルスレーザ光を照射したときの光音響信号（光音響データ）を用いることで、各光吸収体の光吸収特性が波長に応じて異なることを利用した機能イメージングを行うことができる。

ここで、特許文献４には、Ｈｅ−Ｎｅレーザ放電管と、第１反射鏡、第２反射鏡、第３反射鏡、及び光変調装置を備えたレーザ装置が記載されている。第１反射鏡と第２反射鏡は波長６３２．８ｎｍの共振器を構成し、第１反射鏡と第３反射鏡は波長３．３９μｍの共振器を構成する。光変調装置は、第２反射鏡と第３反射鏡との間に配置される。特許文献４では、Ｈｅ−Ｎｅレーザでは高利得を有する３．３９μ線と低利得の６３２．８ｎｍ線とがレーザの上順位を共有する競合関係にあることに着目し、３．３９μ線を変調することにより、結果的に６３２．８ｎｍ線の変調を可能にする。

しかしながら、特許文献４の目的は、レーザ光を計測機器に応用するために信号処理上の必要性から光変調するところにある。また、特許文献４には、Ｈｅ−Ｎｅレーザの６３２．８ｎｍ線は利得が小さく、共振器内に光変調素子を挿入して変調することは困難であると記載されており、特許文献４はそのような場合に適用されるものである。従って、特許文献４において、双方の共振器内部にＱ値を制御するための光学素子を挿入し、Ｑスイッチレーザとする、特に二波長をＱスイッチ発振させる構成は採り得ない。

次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に係るレーザ光源ユニットを示す。本実施形態に係るレーザ光源ユニット１３ａでは、第１のミラー５３が波長８００ｎｍの光の出力ミラーであり、第３のミラー５５が波長７５５ｎｍの光の出力ミラーである。第１のミラー５３の波長８００ｎｍの光に対する反射率は例えば８０％で、波長７５５ｎｍの光に対する反射率は例えば９９．８以上である。第３のミラーの波長７５５ｎｍの光に対する反射率は例えば６０％である。その他の点は第１実施形態と同様でよい。

本実施形態では、第１のミラー５３の波長７５５ｎｍの光に対する反射率が第３のミラー５５の波長７５５ｎｍの光に対する反射率よりも高く設定される。この場合、第３のミラー５５が波長７５５ｎｍの光の出力ミラーとなる。本実施形態では、共振器の一方の側から波長８００ｎｍの光を出射し、他方の側から波長７５５ｎｍの光を出射できる。第１のミラー５３から出射する波長８００ｎｍの光と第３のミラー５５から出射する波長７５５ｎｍの光は、共振器の外部で光軸を合流させればよい。

本実施形態では、波長８００ｎｍの光の出力ミラーである第１のミラー５３の波長８００ｎｍの光に対する反射率は、波長７５５ｎｍの光の出力ミラーである第３のミラー５５の波長７５５ｎｍの光に対する反射率よりも高い。レーザ利得が低い波長８００ｎｍの光に対する出力ミラーの反射率を、波長７５５ｎｍの光に対する出力ミラーの反射率よりも高く設定することで、発振（投入）エネルギーしきい値を下げ、レーザ利得を増加することができ、パルスレーザ光の短パルス化が可能である。その他の効果は第１実施形態と同様である。

上記では、第１のミラー５３を波長８００ｎｍの光の出力ミラーとし、かつ第３のミラー５５を波長７５５ｎｍの光の出力ミラーとしたが、第１のミラーを波長８００ｎｍの光及び波長８００ｎｍの光の出力ミラーとし、かつ第３のミラー５５を波長８００ｎｍの光の出力ミラーとしてもよい。この場合、共振器の一方の側から波長８００ｎｍ及び波長７５５ｎｍの光を出射し、他方の側から波長７５５ｎｍの光を出射できる。第１のミラー５３から出射する波長８００ｎｍ及び波長７５５ｎｍの光と第３のミラー５５から出射する波長７５５ｎｍの光は、共振器の外部で光軸を合流させればよい。

上記構成の場合、第１のミラー５３における波長８００ｎｍの光に対する反射率を波長８００ｎｍの光に対する反射率と同じ設定としてもよい。例えば、第１のミラー５３の波長８００ｎｍの光に対する反射率と波長７５５ｎｍの光に対する反射率は共に８０％とする。第３のミラー５５の波長７５５ｎｍの光に対する反射率は例えば８０％とする。このようにした場合、第１の共振器における光の閉じ込めが、第２の共振器における光の閉じ込めよりも強くなり、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を短パルス化できる。

上記した第１のミラー５３を波長８００ｎｍの光及び波長８００ｎｍの光の出力ミラーとし、かつ第３のミラー５５を波長８００ｎｍの光の出力ミラーとする構成では、第１のミラー５３における波長８００ｎｍの光に対する反射率と波長７５５ｎｍの光に対する反射率とを同じ反射率にできる。第１のミラー５３の双方の波長の光に対する反射率を同じにする場合、第１のミラー５３の作製が比較的容易になる。また、上記構成の場合、第３のミラー５５に、波長７５５ｎｍの光に対して第１のミラー５３と同じ反射率のミラーを用いることができる。

続いて、本発明の第３実施形態を説明する。図１１は、本発明の第３実施形態に係るレーザ光源ユニットを示す。本実施形態に係るレーザ光源ユニット１３ｂでは、第２のミラー５４ａ及び第３のミラー５５ａに凹面ミラーが用いられる。第１のミラー５３は平面ミラーである。その他の点は、第１実施形態又は第２実施形態と同様でよい。なお、図１１では、制御回路６２は図示を省略している。

凹面ミラーである第２のミラー５４ａの焦点距離は第１の共振器の共振器長よりも長い。また、凹面ミラーである第３のミラー５５ａの焦点距離は第２の共振器の共振器長よりも長い。第３のミラー５５ａを構成する凹面ミラーの曲率半径は、第２のミラー５４ａを構成する凹面ミラーの曲率半径よりも短く設定される。例えば、第２の共振器の共振器長が、第１の共振器の共振器長の２倍のとき、第２のミラー５４ａには曲率半径が８ｍの凹面ミラーが用いられ、第３のミラー５５ａには曲率半径が４ｍの凹面ミラーが用いられる。第２のミラー５４ａ及び第３のミラー５５ａに凹面ミラーを用い、共振器ミラーに集光力を持たせることで、角度広がりを有する光束が共振器内を周回するたびに拡がることを防ぐことができ、第１の共振器及び第２の共振器を安定化させることができる。

図１２は、共振器ミラーに凹面ミラーを用いた変形例のレーザ光源ユニットを示す。この変形例のレーザ光源ユニット１３ｂでは、第１のミラー５３ａに凹面ミラーが用いられる。第２のミラー５４及び第３のミラー５５は平面ミラーである。第１のミラー５３ａには、例えば曲率半径が４ｍの凹面ミラーを用いることができる。図１２に示すように、第１のミラー５３ａに凹面ミラーを用いた場合も、図１１に示す構成のレーザ光光源ユニットと同様に、第１の共振器及び第２の共振器を安定化することができる。

引き続き、本発明の第４実施形態を説明する。図１３は、本発明の第４実施形態に係るレーザ光源ユニットを示す。本実施形態に係るレーザ光源ユニット１３ｄは、第２の共振器の光路上に、レーザロッド５１から離れる方向に向かって光束を拡大するビームエキスパンダ６３を有する。より詳細には、第２のミラー５４と第２のＱスイッチ６０との間にビームエキスパンダ６３を有する。その他の構成は第１実施形態、第２実施形態、又は第３実施形態と同様でよい。ビームエキスパンダ６３は、例えば第２のミラー５４側から、凹レンズ６３ａと凸レンズ６３ｂとを順に有する。ビームエキスパンダ６３は、第２のミラー５４側から入射した光線の径を拡大して第２のＱスイッチ６０側に出射する。

ビームエキスパンダ６３が光線の径を拡大することで、レーザロッド５１の周囲に配置されている各種光学部品に入射する光線の面積エネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）を下げることができ、各種光学部品の光入射面のダメージを低減できる。例えば、図１３の例のように、ビームエキスパンダ６３を第２のミラー５４と第２のＱスイッチ６０との間に配置した場合は、第２のミラー５４を透過して第２のＱスイッチ６０に向かう波長７５５ｎｍの光線の径を拡大することができ、第２のＱスイッチ６０に入射する光線の面積エネルギー密度を下げることができる。

特に、波長７５５ｎｍは波長８００ｎｍに比べてレーザ利得が高いため、波長８００ｎｍの発振時に比べてレーザ出力が強くなりやすい。ビームエキスパンダ６３を用いてそのような強いエネルギーのレーザ光線の径を拡大することで、第２のＱ値変更部５７を構成する各部の光入射面のダメージを低減できる。これにより、第２のＱ値変更部５７を構成する各部の長寿命化などを図ることが可能である。

なお、図１１に示したように第２のミラー５４ａが凹面ミラーで構成される場合、第２のミラー５４ａは波長７５５ｎｍの光に対しては凹レンズとして働く。第２のミラー５４ａが凹面ミラーで構成される場合は、第２のミラー５４ａがビームエキスパンダ６３の一部を兼ねることとしてもよい。すなわち、凹レンズ６３ａを省略し、第２のミラー５４ａと凸レンズ６３ｂとによってビームエキスパンダ６３を構成してもよい。この場合は、必要な部品点数を削減できる。

上記では、ビームエキスパンダ６３を第２の共振器の光路上に有する例について説明したが、これには限定されず、ビームエキスパンダ６３を第１の共振器の光路上に挿入してもよい。具体的には、ビームエキスパンダ６３は、例えばレーザロッド５１と第２のミラー５４との間に配置されていてもよい。その場合、ビームエキスパンダ６３がレーザロッド５１から第２のミラー５４に向かうビーム径を拡大することで、第２のミラー５４に入射する光線の面積エネルギー密度を下げることができ、第２のミラー５４の光入射面のダメージを低減できる。また、第２のミラー５４の先にある第２のＱ値変更部５７の光入射面のダメージも低減できる。

続いて、本発明の第５実施形態を説明する。上記各実施形態において、第１の波長の発振時と第２の波長の発振時とでレーザロッド５１に対する励起エネルギーが等しいとき、低利得側の波長の発振の際に、共振器内の光学素子の損傷しきい値に対して許容できる範囲で高い出力を得ようとすると、高利得側の波長の発振の際に、共振器内のエネルギーが光学素子の損傷しきい値を越える可能性がある。本実施形態では、第１の波長の発振時と第２の波長の発振時とで、レーザロッド５１（図２を参照）の励起エネルギーを個別に設定する。例えば、第２の波長の発振時における励起エネルギーを、第１の波長の発振時における励起エネルギーよりも低く設定する。好ましくは、第１の波長の発振時と第２の波長の発振時とでレーザ出力強度が等しくなるように、第１の波長の発振時における励起エネルギーと第２の波長の発振時における励起エネルギーとを設定する。

励起エネルギーの設定は、例えばフラッシュランプ５２に印加する電圧を変更することによって行う。例えば図８において、波長８００ｎｍで発振するときは、時刻ｔ１よりも以前にフラッシュランプ５２に対する電圧設定を電圧Ｖ１とし、時刻ｔ１でフラッシュランプ５２に対して電圧Ｖ１を印加する。波長７５５ｎｍで発振するときは、時刻ｔ３よりも以前にフラッシュランプ５２に対する電圧設定を電圧Ｖ１よりも低い電圧Ｖ２とし、時刻ｔ３でフラッシュランプ５２に対して電圧Ｖ２を印加する。このようにすることで、各波長の発振時で、励起エネルギーを個別に設定可能である。

図１４は、励起エネルギーとレーザ出力との関係を示す。同図において、グラフ（ａ）は発振波長が８００ｎｍのときの励起エネルギーＥとレーザ出力との関係を示し、グラフ（ｂ）は発振波長が７５５ｎｍのときの励起エネルギーＥとレーザ出力との関係を示す。発振波長が８００ｎｍのときの励起エネルギーをＥ１とする。励起エネルギーをＥ１としたとき、発振波長８００ｎｍのレーザ出力は損傷しきい値を超えない。

発振波長が７５５ｎｍのとき、発振波長が８００ｎｍのときと同様に励起エネルギーをＥ１とすると、波長７５５ｎｍのレーザ利得係数は波長８００ｎｍのレーザ利得係数よりも高いため、レーザ出力が波長８００ｎｍの発振時よりも高くなり、共振器内のエネルギーが光学素子の損傷しきい値を超える。発振波長７５５ｎｍ時のレーザ出力を抑えるために、発振波長が７５５ｎｍのときは励起エネルギーをＥ２まで下げる。励起エネルギーをＥ２まで下げることで、発振波長７５５ｎｍのレーザ出力を損傷しきい値よりも低くすることができる。また、双方の発振波長においてレーザ出力を揃えることができる。

さらに、本発明の第６実施形態を説明する。上記第５実施形態では、双方の波長に対して励起エネルギーを個別に設定することで、レーザ発振時の共振器内のエネルギーが共振器内の光学素子の損傷しきい値を超えないようにした。本実施形態では、高利得側のレーザ発振時の共振器内のエネルギーが共振器内の光学素子の損傷しきい値を超えないようにするために、高利得側である第２の波長の光に対して損失を与えるロスフィルタ（光学フィルタ）を用いる。

図１５に、本実施形態に係るレーザ装置を示す。本実施形態に係るレーザ光源ユニット１３ｅは、第２のミラー５４と第３のミラー５５との間にロスフィルタ６４を更に備える。より詳細には、第２のミラー５４と第２のＱスイッチ６０との間にロスフィルタ（光学フィルタ）６４を有する。ロスフィルタ６４は、例えば減光フィルタ（ＮＤ（Neutral Density）フィルタ）である。その他の構成は第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、又は第５実施形態と同様でよい。

図１６は、励起エネルギーとレーザ出力との関係を示す。同図において、グラフ（ａ）は発振波長が８００ｎｍのときの励起エネルギーＥとレーザ出力との関係を示す。グラフ（ｂ）はロスフィルタ６４なしの場合の発振波長が７５５ｎｍのときの励起エネルギーＥとレーザ出力との関係を示し、グラフ（ｃ）はロスフィルタ６４ありの場合の発振波長が７５５ｎｍのときの励起エネルギーＥとレーザ出力との関係を示す。

グラフ（ａ）を参照すると、発振波長が８００ｎｍで、かつ励起エネルギーがＥ１のとき、レーザ出力は共振器内の光学素子の損傷しきい値を超えない。発振波長が７５５ｎｍで、かつロスフィルタなしの場合、励起エネルギーをＥ１とすると、グラフ（ｂ）に示すように、レーザ出力は共振器内の光学素子の損傷しきい値を超える。

第２の共振器内にロスフィルタ６４が挿入されると、第２の共振器内で波長７５５ｎｍの光に対して損失が与えられるため、励起エネルギーが一定であるとすれば、レーザ出力は、ロスフィルタなしの場合に比べて低くなる。ロスフィルタ６４が挿入されたときの励起エネルギーとレーザ出力との関係は、グラフ（ｂ）に示すロスフィルタ６４なしの場合の励起エネルギーとレーザ出力の関係を、グラフ（ｃ）に示すように励起エネルギーが高い側に平行移動した関係となる。

第２の共振器内にロスフィルタ６４が挿入された場合、グラフ（ｃ）に示すように、励起エネルギーを波長８００ｎｍの発振時と同じＥ１としたときでも、波長７５５ｎｍの発振時にレーザ出力が共振器内の光学素子の損傷しきい値を超えないようにすることができる。ロスフィルタ６４が波長７５５ｎｍの光に与える損失を調整し、同じ励起エネルギーにおいて、双方の波長のレーザ出力が等しくなるようにすることが更に好ましい。言い換えれば、ロスフィルタ６４が、波長８００ｎｍの発振時と波長７５５ｎｍの発振時とでレーザ出力が等しくなるように、波長７５５ｎｍの光に対して損失を与えることが更に好ましい。

ここで、ロスフィルタ６４により波長７５５ｎｍの光に対して与える損失が大きいほど、レーザ発振に必要な励起エネルギーが高くなる。つまり、第２の共振器における波長７５５ｎｍの発振しきい値は高くなる。第１のミラー５３から第２のミラー５４までの間は双方の共振器に共通であるため、第２の共振器における波長７５５ｎｍの発振しきい値が第１の共振器における波長８００ｎｍの発振しきい値よりも高くなると、第１の共振器において波長８００ｎｍが先に発振することになる。従って、ロスフィルタ６４が波長７５５ｎｍの光に対して与える損失は、第１の共振器における波長８００ｎｍの発振しきい値が第２の共振器における波長７５５ｎｍの発振しきい値よりも高い範囲で選定することが好ましい。

上記では、第２の共振器内にロスフィルタ６４が挿入される例を説明したが、これに加えて、第１の共振器内にロスフィルタを挿入することとしてもよい。また、波長８００ｎｍの発振時と波長７５５ｎｍの発振時とで励起エネルギーは同一である必要はない。第２の共振器内にロスフィルタ６４を挿入した上で、第５実施形態で説明したものと同様に、波長８００ｎｍの発振時と波長７５５ｎｍの発振時とで、励起エネルギーを個別に設定してもよい。

なお、上記各実施形態では、第１の光音響データと第２の光音響データとを複素数化する例について説明したが、複素数化せずに、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成してもよい。さらに、ここでは、複素数化して位相情報を用いて第１の光音響データと第２の光音響データの比を計算しているが、両者の強度情報から比を計算しても同様の効果が得られるまた、強度情報は、第１の再構成画像における信号強度と、第２の再構成画像における信号強度とに基づいて生成できる。

光音響画像の生成に際して、被検体に照射されるパルスレーザ光の波長の数は２つには限られず、３以上のパルスレーザ光を被検体に照射し、各波長に対応する光音響データに基づいて光音響画像を生成してもよい。その場合、例えば位相情報抽出手段２６は、各波長に対応する光音響データ間での相対的な信号強度の大小関係を位相情報として生成すればよい。また、強度情報抽出手段２７は、例えば各波長に対応する光音響データにおける信号強度を１つにまとめたものを強度情報として生成すればよい。

上記各実施形態では、主にアレキサンドライトレーザについて説明したが、レーザロッド５１（図２）に用いられるレーザ媒質はアレキサンドライトには限定されない。例えばＣｒ：ＬｉＳＡＦやＣｒ：ＬｉＣＡＦなどは７５０ｎｍ−９００ｎｍの波長範囲でレーザ発振が可能であり、レーザロッド５１に、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦやＣｒ：ＬｉＣＡＦなどを用いてもよい。また、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅは７００ｎｍ−１０００ｎｍの波長範囲でレーザ発振が可能であり、レーザロッド５１にＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅを用いてよい。

上記各実施形態では、レーザ装置が光音響計測装置の一部を構成する例について説明したが、これには限定されない。本発明のレーザ装置を、光音響計測装置とは異なる装置に用いることも可能である。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明のレーザ装置及び光音響計測装置は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

１０：光音響計測装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザ光源ユニット
１４：画像表示手段
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：受信メモリ
２４：複素数化手段
２５：光音響画像再構成手段
２６：位相情報抽出手段
２７：強度情報抽出手段
２８：検波・対数変換手段
２９：光音響画像構築手段
３０：トリガ制御回路
３１：制御手段
５１：レーザロッド
５２：フラッシュランプ
５３、５４、５５：ミラー
５６、５７：Ｑ値変更部
５８、６０：Ｑスイッチ
５９：偏光子
６１：１／４波長板
６２：制御回路
６３：ビームエキスパンダ
６３ａ：凹レンズ
６３ｂ：凸レンズ
６４：ロスフィルタ

Claims (31)

1. 第１の波長と第２の波長とに発光波長を有する固体のレーザ媒質であって、前記第１の波長の発光効率が前記第２の波長の発光効率よりも低いレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質を間欠的に励起する励起手段と、
   前記レーザ媒質を挟んで対向する第１のミラー及び第２のミラーで構成され、前記第１の波長の光を発振する第１の共振器と、
   前記第１のミラーと、前記レーザ媒質及び前記第２のミラーを挟んで前記第１のミラーと対向する第３のミラーとで構成され、前記第２の波長の光を発振する第２の共振器と、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器とに共通の部分に配置された、前記第１の共振器及び前記第２の共振器のＱ値を制御する第１のＱ値変更部と、
   前記第２のミラーと第３のミラーとの間に配置された、前記第２の共振器のＱ値を制御する第２のＱ値制御部とを備えたレーザ装置。
2. 前記第１のＱ値変更部及び前記第２のＱ値変更部を駆動し、前記第１の共振器及び前記第２の共振器のＱ値を、それぞれ共振器のＱ値が発振しきい値よりも低い低Ｑ状態にする第１の駆動状態、前記第１の共振器及び前記第２の共振器のＱ値を、それぞれ共振器のＱ値が発振しきい値よりも高い高Ｑ状態にする第２の駆動状態、及び、前記第１の共振器のＱ値を高Ｑ状態にし、かつ前記第２の共振器のＱ値を低Ｑ状態にする第３の駆動状態の間で駆動状態を切り替える制御回路を更に備えた請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記制御回路は、前記レーザ媒質の励起時は前記第１のＱ値変更部及び前記第２のＱ値変更部の駆動状態を前記第１の駆動状態とする請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記制御回路は、レーザ媒質の励起後、発振波長が前記第１の波長のときは前記第１のＱ値変更部及び前記第２のＱ値変更部の駆動状態を前記第１の駆動状態から前記第３の駆動状態へと変化させ、発振波長が前記第２の波長のときは前記第１のＱ値変更部及び前記第２のＱ値変更部を前記第１の駆動状態から前記第２の駆動状態へと変化させる請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記制御回路は、発振波長が第２の波長のときは、前記第２の共振器のＱ値が高Ｑ状態となるように前記第２のＱ値変更部を駆動するのと同時に前記第１の共振器のＱ値が高Ｑ状態となるように前記第１のＱ値変更部を駆動し、又は前記第２の共振器のＱ値が高Ｑ状態となるように前記第２のＱ値変更部を駆動した後に前記第１の共振器のＱ値が高Ｑ状態となるように前記第１のＱ値変更部を駆動する請求項４に記載のレーザ装置。
6. 前記第１のＱ値変更部は、前記第１の共振器と前記第２の共振器とに共通の光路上に配置され、印加電圧に応じて前記第１の共振器及び前記第２の共振器のＱ値を変化させる第１のＱスイッチを含み、前記制御回路が、前記第１のＱスイッチの印加電圧を制御することで前記第１のＱ値変更部を駆動する請求項２から５何れか１項に記載のレーザ装置。
7. 前記第１のＱスイッチは、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき前記第１の共振器及び前記第２の共振器を低Ｑ状態にし、印加電圧が、絶対値が前記第１の電圧の絶対値よりも小さいＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき前記第１の共振器及び前記第２の共振器を高Ｑ状態にする請求項６に記載のレーザ装置。
8. 前記第１のＱ値変更部は、前記第１のＱスイッチと前記第１のミラー及び前記第２のミラーの一方との間に配置された１／４波長板を更に含み、前記第１のＱスイッチは、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき前記第１の共振器及び前記第２の共振器を低Ｑ状態にし、印加電圧が、絶対値が前記第１の電圧の絶対値よりも大きいＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき前記第１の共振器及び前記第２の共振器を高Ｑ状態にする請求項６に記載のレーザ装置。
9. 前記第２の電圧は、前記第１の波長の発振時と前記第２の波長の発振時とで異なる請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記第２のＱ値変更部は、前記第２のミラーと前記第３のミラーとの間に配置され、印加電圧に応じて前記第２の共振器のＱ値を変化させる第２のＱスイッチを含み、前記制御回路が、前記第２のＱスイッチの印加電圧を制御することで前記第２のＱ値変更部を駆動する請求項２から９何れか１項に記載のレーザ装置。
11. 前記第２のＱ値変更部は、前記第２のＱスイッチと前記第３のミラーとの間に配置された１／４波長板を更に含み、前記第２のＱスイッチは、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第３の電圧のとき前記第２の共振器を低Ｑ状態にし、印加電圧が、絶対値が前記第３の電圧の絶対値よりも大きいＱスイッチオンに対応した第４の電圧のとき前記第２の共振器を高Ｑ状態にする請求項１０に記載のレーザ装置。
12. 前記第２のミラーは、前記第１の波長の光を反射し、前記第２の波長の光を透過する請求項１から１１何れか１項に記載のレーザ装置。
13. 前記第１のミラーは、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の出力ミラーである請求項１から１２何れか１項に記載のレーザ装置。
14. 前記第１のミラーの前記第１の波長の光に対する反射率は前記第２の波長の光に対する反射率よりも高い請求項１から１３何れか１項に記載のレーザ装置。
15. 前記第１のミラーが前記第１の波長の光の出力ミラーであり、かつ前記第３のミラーが前記第２の波長の光の出力ミラーであり、前記第１のミラーの前記第２の波長の光に対する反射率が前記第３のミラーの前記第２の波長の光に対する反射率よりも高い請求項１から１２何れか１項に記載のレーザ装置。
16. 前記第１のミラーが前記第１の波長の光の出力ミラーであり、かつ前記第３のミラーが前記第２の波長の光の出力ミラーであり、前記第１のミラーの前記第１の波長の光に対する反射率が前記第３のミラーの前記第２の波長の光に対する反射率よりも高い請求項１から１２何れか１項に記載のレーザ装置。
17. 前記第１のミラーが前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の出力ミラーであり、かつ前記第３のミラーが前記第２の波長の光の出力ミラーであり、前記第１のミラーにおける前記第１の波長の光に対する反射率が前記第２の波長の光に対する反射率と同じである請求項１から１２何れかに記載のレーザ装置。
18. 前記第１のミラー、前記第２のミラー、及び前記第３のミラーのうちの少なくとも１つは光軸方向に沿って移動可能である請求項１から１７何れか１項に記載のレーザ装置。
19. 前記第１の波長の発振の繰り返し周波数は、前記第２の波長の発振の繰り返し周波数よりも高い請求項１から１８何れか１項に記載のレーザ装置。
20. 前記第１の共振器の光路と第２の共振器の光路との少なくとも一方に、前記レーザ媒質から離れる方向に向かって光束を拡大するビームエキスパンダを更に備える請求項１から１９何れか１項に記載のレーザ装置。
21. 前記ビームエキスパンダは、前記レーザ媒質と前記第２のミラーとの間に配置される請求項２０に記載のレーザ装置。
22. 前記ビームエキスパンダは、前記第２のミラーと前記第２のＱ値制御部との間に配置される請求項２０に記載のレーザ装置。
23. 前記ビームエキスパンダは凹レンズと凸レンズとを含み、前記第２のミラーは凹面ミラーであり前記ビームエキスパンダの凹レンズを兼ねる請求項２２に記載のレーザ装置。
24. 前記第１のミラーが平面ミラーであり、前記第２のミラー及び前記第３のミラーが凹面ミラーである請求項１から２２何れか１項に記載のレーザ装置。
25. 前記第３のミラーの曲率半径が、前記第２のミラーの曲率半径よりも短い請求項２４に記載のレーザ装置。
26. 前記第１のミラーが凹面ミラーであり、前記第２のミラー及び前記第３のミラーが平面ミラーである請求項１から２２何れか１項に記載のレーザ装置。
27. 前記第１の波長の発振時と前記第２の波長の発振時とで前記レーザ媒質の励起エネルギーが個別に設定される請求項１から２６何れか１項に記載のレーザ装置。
28. 前記第２の波長の発振時における励起エネルギーは前記第１の波長の発振時における励起エネルギーよりも低い請求項２７に記載のレーザ装置。
29. 前記第２のミラーと前記第３のミラーとの間に、前記第２の波長の光に対して損失を与える光学フィルタを更に備える請求項１から２８何れか１項に記載のレーザ装置。
30. 前記第１の共振器における前記第１の波長の発振しきい値は、前記第２の共振器における前記第２の波長の発振しきい値よりも高い請求項２９に記載のレーザ装置。
31. 第１の波長と第２の波長とに発光波長を有する固体のレーザ媒質であって、前記第１の波長の発光効率が前記第２の波長の発光効率よりも低いレーザ媒質と、該レーザ媒質を間欠的に励起する励起手段と、前記レーザ媒質を挟んで対向する第１のミラー及び第２のミラーで構成され、前記第１の波長の光を発振する第１の共振器と、前記第１のミラーと、前記レーザ媒質及び前記第２のミラーを挟んで前記第１のミラーと対向する第３のミラーとで構成され、前記第２の波長の光を発振する第２の共振器と、前記第１の共振器と前記第２の共振器とに共通の部分に配置された、前記第１の共振器及び前記第２の共振器のＱ値を制御する第１のＱ値変更部と、前記第２のミラーと第３のミラーとの間に配置された、前記第２の共振器のＱ値を制御する第２のＱ値制御部とを備えたレーザ装置と、
    前記第１の波長及び前記第２の波長のレーザ光が被検体に出射されたときに被検体内で生じた光音響信号を検出し、前記第１の波長及び前記第２の波長のそれぞれに対応した第１の光音響データ及び第２の光音響データを生成する検出手段とを備えたことを特徴とする光音響計測装置。

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