JP2015230469A

JP2015230469A - 光源装置およびそれを用いた情報取得装置

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Publication number: JP2015230469A
Application number: JP2014118104A
Authority: JP
Inventors: 晋宏井上; Akihiro Inoue; 岩瀬　秀夫; Hideo Iwase; 秀夫岩瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-12-21
Also published as: US20150357786A1

Abstract

【課題】従来の光パラメトリック増幅器を用いた光源装置では、射出する信号パルス光のピーク強度を高めようとすると、スペクトル線幅を狭くすることができない。
【解決手段】パルス光を出射する光源装置であって、第１のパルス光を射出する光源と、前記第１のパルス光の入射により、第１の光パラメトリック利得を発生させる第１の非線形光学媒質と、前記第１の非線形光学媒質に結合され、前記第１のパルス光の入射により、前記第１の光パラメトリック利得とは異なる第２の光パラメトリック利得を発生させる第２の非線形光学媒質と、を備えており、前記第１の非線形光学媒質および前記第２の非線形光学媒質は、前記第１のパルス光の中心波長において正常分散特性を有し、前記第１の非線形光学媒質の零分散波長と、前記第２の非線形光学媒質の零分散波長が互いに異なっており、前記第１の非線形光学媒質と前記第２の非線形光学媒質が、直列に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、中心波長が可変なパルス光源およびそれを用いた情報取得装置に関する。

被検体にパルス光を照射し、被検体で反射や散乱される光、被検体を透過する光、被検体から発せられる蛍光のいずれかを検出することで、被検体の構成物質に関する様々な情報を得ることが可能である。近年は、分子振動数に対応した周波数差を有する２つのパルス光を被検体に照射し、被検体で生じる誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）やコヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ）に基づく光を検出し、被検体の物質同定を行う研究が盛んに行われている。これらの測定法において、分解能の高い情報を得るため、スペクトル線幅が狭く、ピーク強度の大きなパルス光を射出する光源装置が望まれている。

中心波長が互いに異なる２つのパルス光を発生するレーザ光源としては、光ファイバで生じる四光波混合（光パラメトリック効果の一種）を利用した光パラメトリック増幅器（ＦＯＰＡ）が知られている。ＦＯＰＡは、光ファイバに入射した励起パルス光のエネルギーを受けて励起パルス光とは波長の異なる信号パルス光を発生させる。

非特許文献１には、ＦＯＰＡに入射させる励起パルス光とＦＯＰＡにて発生する信号パルス光を射出する光源装置を用いて、互いに異なる波長を有する２つのパルス光を被検体に照射し、ＣＡＲＳに基づく光を検出してイメージングを行う方法が開示されている。

ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓＶｏｌ．２０，Ｎｏ．１９，ｐｐ．２１０１０−２１０１８，１０Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１２

非特許文献１に開示された光源装置には、１種類の光ファイバからなるＦＯＰＡが用いられている。このような構成において、ピーク強度とスペクトル線幅は、射出するパルス光のピーク強度を高くしようとするとスペクトル線幅が広がってしまうという、トレードオフの関係になっている。

被検体に照射するパルス光のピーク強度が低いと、ＳＲＳやＣＡＲＳに基づく光が弱くなり、強い信号が得られなくなり分解能が低下する。被検体に照射するパルス光のスペクトル線幅が広いと、ある物質からなる被検体の計測において、２つのパルス光の周波数差の中に、計測する物質の分子振動数に一致しない周波数差成分が含まれてしまう。そのため、被検体から得られるラマンスペクトルに、分子振動数に一致しない周波数差成分によるノイズが含まれ、分解能が低下する。

上記問題を解決するため、本発明により提供される光源装置は、第１のパルス光を射出する光源と、前記第１のパルス光の入射により、第１の光パラメトリック利得を発生させる第１の非線形光学媒質と、前記第１のパルス光の入射により、前記第１の光パラメトリック利得とは異なる第２の光パラメトリック利得を発生させる第２の非線形光学媒質と、を備えており、前記第１の非線形光学媒質および前記第２の非線形光学媒質は、いずれも前記第１のパルス光の中心波長において正常分散特性を有し、かつ、それぞれの零分散波長が互いに異なっており、前記第１の非線形光学媒質と前記第２の非線形光学媒質が、直列に接続されていることを特徴とする

本発明に係る光源装置を用いれば、ピーク強度を高くしても、非線形光学媒質で発生するパルス光のスペクトル線幅を狭くすることができる。そして、本発明に係る光源装置を備える情報取得装置は、被検体から得られるラマンスペクトルに含まれるノイズを低減することができ、分解能を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態１にかかる光源装置を説明する模式図本発明の実施形態２にかかる光源装置を説明する模式図本発明の実施形態３にかかる情報取得装置を説明する模式図本発明で提案される光パラメトリック利得を示す模式図 β_２＞０かつβ_４≧０の非線形光学媒質中における光の伝搬定数の位相不整合Δβと光パラメトリック利得Ｇを表すグラフ β_２＞０かつβ_４＜０の非線形光学媒質中における光の伝搬定数の位相不整合Δβと光パラメトリック利得Ｇを表すグラフ β_２≦０かつβ_４≧０の非線形光学媒質中における光の伝搬定数の位相不整合Δβと光パラメトリック利得Ｇを表すグラフ β_２≦０かつβ_４＜０の非線形光学媒質中における光の伝搬定数の位相不整合Δβと光パラメトリック利得Ｇを表すグラフ非特許文献１に開示の光源装置

本発明に係る光源装置は、中心波長が可変な励起パルス光を発する光源と、信号パルス光を発生させる複数の非線形光学媒質を有している。非線形光学媒質は、いずれも正常分散特性を有しており、それぞれの零分散波長が互いに異なっている。このような条件を満たす非線形光学媒質として、光ファイバを好適に用いることができる。なお、本発明において、中心波長とは、パルス光のピーク強度が最も高くなる波長を指している。

ここで、本発明についての詳細な説明の前に、励起パルス光から信号パルス光が発生する現象、即ち、光パラメトリック利得を生じさせる四光波混合の発生原理について説明する。四光波混合とはパラメトリック効果の一つであり、互いに中心波長が異なる２つの励起光をファイバなどの非線形光学媒質内に入射させた際に、それらのどの波長とも一致しない中心波長の信号パルス光が新たに発生する現象である。この時、非線形光学媒質に入射した励起光のエネルギーの一部が、四光波混合により新たに発生する信号パルス光のエネルギーへと変換される。例えば、周波数（中心波長の逆数）がそれぞれω_１とω_２である２つの励起光を非線形光学媒質に入射させると、周波数がそれぞれω_３とω_４である２つの信号パルス光が新たに発生し、ω_１＋ω_２＝ω_３＋ω_４の関係を満たす。

励起光の周波数が１つの場合、即ちω_１＝ω_２＝ω_ｃである場合は、縮退四光波混合と呼ばれ、周波数がそれぞれω_ｃ＋Δω、ω_ｃ−Δωである２つの信号パルス光が、周波数ω_ｃを挟んで対称に発生する。一般的に高周波数（中心波長が短い）側はシグナル光、低周波数（中心波長が長い）側はアイドラー光と呼ばれるが、両者を区別しない場合に信号パルス光と呼ぶ。以下、シグナル光の周波数をω_ｓ（＝ω_ｃ＋Δω）、アイドラー光の周波数をω_ｉ（＝ω_ｃ−Δω）と表す。

縮退四光波混合は、互いに周波数の異なる２つの光を入射する場合に比べて波長の制御やシステム構成が簡単であるため、情報取得装置の光源装置に広く利用されている。従って、本願では縮退四光波混合を用いる光源装置について説明する。

縮退四光波混合を効率良く発生させるためには、非線形光学媒質における励起光の伝搬定数をβ_ｃ、シグナル光の伝搬定数をβ_ｓ、アイドラー光の伝搬定数をβ_ｉとして、以下の式で表される位相整合条件を満たす必要がある。

Δβは非線形光学媒質における光の伝搬定数の位相不整合を表しており、γは非線形光学媒質の非線形係数、Ｐ_ｃは励起光のピーク強度、即ち、中心波長のピーク強度である。また、ｎ_２は非線形光学媒質の非線形屈折率、Ａ_ｅｆｆは非線形光学媒質である光ファイバのコアの有効断面積、ｃは真空中の光の速さである。

非線形光学媒質における光の伝搬定数の位相不整合Δβは、周波数差Δωを用いて以下の式で表すことができる。
Δβ＝β_２（Δω）^２＋β_４（Δω）^４／１２数式（２）
β_２は非線形光学媒質の励起光の周波数における群速度分散、β_４は群速度分散β_２の２次導関数である。なお、群速度分散β_２は、励起光の伝搬定数β_ｃの２次導関数である。

このときの四光波混合による光パラメトリック利得Ｇは、以下の式で表される。Ｌは非線形光学媒質の長さである。

次に、β_２を正、あるいは、負または０、β_４を正または０、あるいは、負とする４通りの非線形光学媒質について、数式（２）、数式（３）それぞれをグラフにしたものを図７〜１０に示す。非線形光学媒質のβ_２が正のときは正常分散特性を示し、β_２が負のときは異常分散特性を示す。

図７はβ_２＞０かつβ_４≧０の非線形光学媒質の場合について示している。図７（ａ）は数式（２）をグラフ化したもので、縦軸をΔβ、横軸をΔωとしている。図７（ｂ）は数式（３）をグラフ化したもので、縦軸をＧ、横軸をΔωとしている。図８〜１０の（ａ）（ｂ）のグラフも同様である。

非線形光学媒質の非線形係数γと励起光のピーク強度Ｐ_ｃは共に正の値であるから、数式（１）を満たすためには、Δβは負の値でなければならない。ところが、β_２＞０かつβ_４≧０とすると、図７（ａ）に示したように、Δβは０以上の値をとるため、縮退四光波混合を効率良く発生させるための条件である数式（１）を満たす領域が存在しない。つまり、図７（ｂ）の通り、光パラメトリック利得Ｇを得ることのできるΔωが存在しない。従って、β_２＞０かつβ_４≧０である非線形光学媒質に励起パルス光を入射しても、シグナル光もアイドラー光も生成しない。

図８はβ_２＞０かつβ_４＜０の非線形光学媒質について示している。図８（ａ）グラフにおいて、数式（１）で表されるΔβの位相整合条件が成立する範囲が、ハッチングで示してある。グラフから、数式（１）で表される位相整合条件を満たすΔωの範囲が、励起パルス光の周波数から離れた箇所に、比較的狭い範囲で存在することがわかる。従って、図８（ｂ）に示すように、ある周波数の励起光を非線形光学媒質に入射すると、比較的狭い周波数帯域に光パラメトリック利得Ｇが存在するため、周波数帯域の狭いシグナル光とアイドラー光が生成される。

図９はβ_２≦０かつβ_４≧０、図１０はβ_２≦０かつβ_４＜０の非線形光学媒質のそれぞれについて示している。図９（ａ）、図１０（ａ）に示すように、β_２≦０の領域（異常分散領域）においては、数式（１）で表される位相整合条件を満たすΔωの範囲（ハッチングされた範囲）が連続的に広がることがわかる。すなわち、広い周波数帯域に光パラメトリック利得Ｇが存在するため、周波数帯域の広い、シグナル光とアイドラー光が生成し、図９（ｂ）、図１０（ｂ）に示した広い周波数帯域の光が得られることになる。

以上の事から、縮退四光波混合を利用してスペクトル幅の狭い光（ナローバンド光）を生成するためには、β_２＞０かつβ_４＜０を満たす非線形光学媒質を用いるとよい。また、縮退四光波混合を利用してスペクトル幅の広いパルス光（ブロードバンド光）を生成するためには、非線形光学媒質にβ_２≦０を満たすものを用いるとよい。なお本発明において、スペクトル幅の狭い光（ナローバンド光）はスペクトル幅が１０ｎｍ以下のパルス光を指し、スペクトル幅の広い光（ブロードバンド光）はスペクトル幅が１００ｎｍ以上のパルス光を指す。

非線形光学媒質のβ_２およびβ_４は、光ファイバのコアとクラッドとの屈折率差が適切な値になるように、組み合わせるコア材料とクラッド材料を選択して構成した光ファイバによって所望の値を実現することができる。

ここで、β_２＞０かつβ_４＜０の場合、縮退四光波混合により発生する信号パルス光の励起光に対する周波数シフト量Δω（波長シフト量Δλ）、信号パルス光の周波数幅δω（スペクトル半値幅δλ）は、それぞれ以下の式で表される。

ω_０は非線形光学媒質の零分散周波数、λ_ｃは励起光の中心波長、λ_０は非線形光学媒質の零分散波長、β_３は零分散波長における群速度分散β_２の１次導関数である。

式（５）から、励起光の中心波長λ_ｃの変化分よりも波長シフト量Δλは係数分だけ大きくなることが分かる。つまり、励起光の中心波長λ_ｃの変化がわずかであっても、シグナル光（またはアイドラー光）の中心波長のシフト量が大きくなる。また、数式（７）より、非線形係数γが小さく、β_４の大きな非線形光学媒質を用いれば、スペクトル幅δλの狭いシグナル光（またはアイドラー光）を生成することが可能であることがわかる。
以上が四光波混合（特に縮退四光波混合）の発生原理である。

次に、非特許文献１に開示された構成の光源を用いて、光ファイバで生じる四光波混合（光パラメトリック効果の一種）を利用する光源装置について説明する。

図９は、非特許文献１に開示された構成の光源装置の概略図である。非線形光学媒質は、１種類のファイバで構成されている。

励起光源１０１で発せられた中心波長λ_ｃの励起パルス光は、非線形光学媒質１０２に入射させる。励起パルス光の照射により、非線形光学媒質の光パラメトリック利得によって、励起パルス光とは異なる中心波長λ_ｓ（＜λ_ｃ）のシグナル光と、励起パルス光とは異なる中心波長λ_ｉ（＞λ_ｃ）のアイドラー光が発生し、光射出部１０４から射出される。非特許文献１では、励起パルス光とシグナル光を被検体に照射して、ＣＡＲＳに基づく光を検出している。

非線形光学媒質が有する光パラメトリック利得の特性により、励起パルス光の中心波長のわずかな変化によって、信号パルス光の中心波長は大きく変化する。従って、この現象を利用すれば、射出する２つのパルス光の周波数差を広帯域で変化させることが可能である。光源装置から出力する２つのパルス光は、非特許文献１の開示に限定されることはなく、励起パルス光と２つの信号パルス光の中から２つを選択すると良い。

図９の構成の場合、前述したように、信号パルス光のスペクトル線幅を狭くしようとするとピーク強度が低下してしまい、ピーク強度を高くしようとするとスペクトル線幅が拡がってしまう。これは、式（１）および（３）において、Ｐｃを大きくすると位相整合条件を満たす範囲が広がることから理解できる。

スペクトル線幅の広い光には種々の周波数の光が含まれる。そのため、被検体に照射する２つのパルス光のうち少なくとも一方のパルス光のスペクトル線幅が広いと、２つのパルス光の間に計測対象である分子の分子振動数と一致しない周波数差成分が生じる。分子振動数と一致しない周波数差成分は、被検体から得られるラマンスペクトルにノイズとして含まれ、分解能が低下してしまう。一般に、ラマンスペクトルを測定するのに必要なスペクトル線幅は、１ｎｍ以下である。

本発明にかかる光源装置は、正常分散特性を有する第１の非線形光学媒質と、第１の非線形光学媒質とは異なる零分散波長を有し、正常分散特性を有する第２の非線形光学媒質とを備えており、これらが直列に接続されている。つまり、直列に接続された、第１の非線形光学媒質で生じる第１の光パラメトリック利得の帯域と、第２の非線形光学媒質で生じる第２の光パラメトリック利得の帯域とが、互いにずれた状態となっている。そのため、これら２つの非線形光学媒質全体で生じる光パラメトリック利得の帯域を狭くすることができる。

第１の非線形光学媒質と、第１の非線形光学媒質とは異なる零分散波長を有する第２の非線形光学媒質とを直列接続した場合の四光波混合について、詳しく説明する。

図４は、直列接続された、零分散波長が互いに異なる２つの非線形光学媒質で生じる光パラメトリック利得を示す。中心波長λ_ｃの励起パルス光の入射により、第１の非線形光学媒質で生じる第１の光パラメトリック利得、即ち、第１のパルス光を破線で表し、第２の非線形光学媒質で生じる第２の光パラメトリック利得即ち、第２のパルス光を点線で表している。第１のパルス光の中心波長をλ_１、第２のパルス光の中心波長をλ_２とする。なお、図４では、シグナル光のみを示しているが、アイドラー光でも同様である。

数式（５）から、励起パルス光の中心波長がλ_ｃのとき、２つの非線形光学媒質の間で、零分散波長、β_３、β_４の少なくともいずれか１つが異なっていると、それぞれの非線形光学媒質で生じる信号パルス光の波長シフト量が異なることが分かる。ただし、実際には、非線形光学媒質のβ_３やβ_４を任意の値に調整するのは非常に困難で現実的でないため、零分散波長を互いに異なる２つの非線形光学媒質を用いる。

零分散波長を互いに異なる２つの非線形光学媒質を直列接続し、第１の非線形光学媒体の側から中心波長λ_ｃの励起パルス光を入射させた場合を考える。直列接続した２つの非線形光学媒質全体で生じる光パラメトリック利得の帯域は、中心波長λ_ｃの励起パルス光による、第１の光パラメトリック利得と第２の光パラメトリック利得との積で表される。図４に、中心波長λ_ｃの励起パルス光により２つの非線形光学媒質全体で生じる光パラメトリック利得の帯域を実線で示す。

図４から分かるように、第１の非線形光学媒質により発生した第１の信号パルス光のうち、第１の光パラメトリック利得と第２の光パラメトリック利得との重なり領域のみが第２の非線形光学媒質で増幅される。その結果、２つの非線形光学媒質を通過した後の信号パルス光のスペクトル線幅は、第１の光パラメトリック利得と第２の光パラメトリック利得との重なり領域の幅に対応して狭くなる。２つの非線形光学媒質を通過した後の信号パルス光のスペクトル線幅を、ラマン測定に適した１ｎｍ以下にする場合には、互いの零分散波長が０．１ｎｍ以上異なる２つの非線形光学媒質を直列に配置するとよい。

以下、図４に実線で示された光パラメトリック利得を第３の光パラメトリック利得と呼ぶ。また、第３の光パラメトリック利得によって生成される信号パルス光、即ち、第１の非線形光学媒質および第２の非線形光学媒質を通過して得られる信号パルス光を、第３の信号パルス光と呼ぶ。第３の信号パルス光の中心波長は、（λ_１＋λ_２）／２と近似することができる。

第３の信号パルス光のスペクトル線幅をより狭く、かつその発生効率を高くするためには、第１の非線形光学媒質および第２の非線形光学媒質が、下記の式で表す範囲を満たすことが好ましい。

λ_１は第１の光パラメトリック利得の中心波長、δλ_１は数式（７）で表される第１の光パラメトリック利得のスペクトル半値幅である。λ_２は第２の光パラメトリック利得の中心波長、δλ_２は数式（７）で表される第２の光パラメトリック利得のスペクトル半値幅である。

なお、第２の非線形光学媒体では、第１の非線形光学媒質を通過した中心波長λ_ｃの励起パルス光の入射により、中心波長λ_２の第２の信号パルス光が生成されるが、そのピーク強度は、第３の信号パルス光の１／１０程度と小さい。光源装置から出力する際に、必要に応じて、バンドパスフィルタ等でカットすると良い。

以下、本発明にかかる光源装置および情報取得装置の実施形態を、図面を用いて説明するが、本発明は実施形態の構成等に何ら限定されるものではない。各図面において、同じ符号を付した部材は、同じ部材もしくは対応する部材を意味している。また、各実施例において共通する内容については、記載を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１に、本実施形態にかかる光源装置の概略図を示す。図１の光源装置は、パルス光を発する励起光源１０１と、第１の非線形光学媒質１０２と、第２の非線形光学媒質１０３と、光射出部１０４を有している。

励起光源１０１は、中心波長λ_Ｃが可変な第１のパルス光（励起パルス光）を射出することができる。励起光源１０１としては、例えばレーザ共振器の中に波長フィルタを内蔵しレーザ媒体の利得帯域内で波長を可変することができる、パルスレーザが好適である。また、非線形光学媒質に入射するパルス光のスペクトル幅が狭いほど四光波混合が効率良く起こり、光パラメトリック利得が十分に確保することができるため、励起光源１０１から射出される励起パルス光のスペクトル幅は１ｎｍ以下が好ましい。

第１の非線形光学媒質１０２と、第２の非線形光学媒質１０３には、フォトニック結晶ファイバやテーパーファイバなどの、非線形係数の高い光ファイバを好適に用いることができる。

フォトニック結晶ファイバとは、光ファイバのクラッド部に多数の空孔（エアホール）を設けたファイバであり、空孔によりクラッドの屈折率をコアに比べ極端に低くすることができる。したがって、実効的なコア径（モードフィールド径）を小さくすることができるため、ファイバ長が数ｍ程度の長さでも大きな非線形効果を得られるという特徴がある。また、空孔のサイズやピッチを調整することで、任意の波長分散特性を得ることができるという特徴がある。

テーパーファイバとは、光ファイバのクラッド径を細くしたファイバであり、通常の光ファイバを加熱、延伸して作製することができる。テーパーファイバのクラッド径を数ｕｍ程度に極端に細くすると、ファイバ長が数ｍｍ程度の長さでも大きな非線形効果を得られるという特徴がある。また、テーパーファイバのクラッド径、長さを調整することで、任意の波長分散特性を得ることができるという特徴がある。

第１の非線形光学媒質１０２と第２の非線形光学媒質１０３には、互いに零分散波長が異なり、パルス光の中心波長λ_ｃにおいて正常分散特性を有するものを用いる。光出射部１０４には、出射する帯域以外の光をカットするバンドパスフィルタを含んでいても良い。

励起光源１０１から射出された励起パルス光は、第１の非線形光学媒質１０２および第２の非線形光学媒質１０３へと導かれ、図４の実線で示した第３の光パラメトリック利得により、スペクトル線幅の狭い第３の信号パルス光が生成される。このような構成により、励起パルス光が第１の非線形光学媒質１０２あるいは第２の非線形光学媒質１０３にのみ入射して発生する第１の信号パルス光や第２の信号パルス光よりもスペクトル幅の狭い、第３の信号パルス光を生成することができる。

（第２の実施形態）
図２に、本発明にかかる光源装置の別の実施形態を示す。本実施形態は、光パラメトリック発振器（ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｒｉｃＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ、以下ＦＯＰＯと略すことがある）を備えている点で、実施形態１の光源装置とは異なっている。

図２の光源装置は、パルス光を発する励起光源１０１と、合波器１０５と、第１の非線形光学媒質１０２と、第２の非線形光学媒質１０３と、分岐器（光射出部）１０４を有している。合波器１０５と分岐器１０４は、導波路で接続されており、第１の非線形光学媒質１０２および第２の非線形光学媒質１０３を含む共振器１０６を構成している。

第１の非線形光学媒質１０２および第２の非線形光学媒質１０３が共振器１０６の中に配置されているため、第１の非線形光学媒質で発生した第１の信号パルス光が、繰り返し第１および第２の非線形光学媒質を通過し、通過の度にパラメトリック発振する。このように、共振器内でのパラメトリック発振により増幅された第３のパルス光は、分岐器１０４を介して共振器の外へと取り出される。

共振器を設ける場合、励起パルス光のパルスレートを、第１の信号パルス光の波長における共振器の自由スペクトル間隔（ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ、以下ＦＳＲと略す）の整数倍にしておくのが好ましい。このような関係を満たすことで、第３のパルス光をピーク強度の高いパルス光として取り出すことができる。

本実施形態にかかる光源装置は、実施形態１よりも第３のパルス光のピーク強度を高くすることができるため、ピーク強度の高いパルス光を必要とする情報取得装置に好適に用いることができる。

（第３の実施形態）
図３は本実施形態に係る情報取得装置を示す模式図である。本実施形態では、第１の実施形態で説明した光源装置を用いてＳＲＳイメージングを行う顕微鏡（ＳＲＳ顕微鏡）を装置例に挙げて説明する。

ＳＲＳイメージングとは、互いに波長が異なるポンプ光とストークス光を物質に入射させ、これら２つの光の干渉によって生じる誘導ラマン散乱という現象を利用し、分子振動イメージングを取得する手法である。具体的には、ストークス光を強度変調した状態で、ポンプ光とストークス光を同期させて被検体に照射する。ポンプ光とストークス光との差周波が被検体を構成する分子の分子振動数と一致した時に誘導ラマン散乱が生じ、強度変調されているストークス光が増幅されるが、ストークス光の強度変調に応じて、強度変調されていないポンプ光の強度も変調される。従って、被検体を経由したポンプ光の誘導ラマン散乱による強度変調分を検出することにより、被検体の分子振動イメージングが可能となる。また、パルス光の中心波長を変化させ、２つのパルス光の間の差周波を変化させることで、様々な分子の分子振動数に一致させることができ、被検体を構成する分子群に特有の信号を得ることができる。

励起光源１０１で発せられる励起パルス光（第１のパルス光）λ_ｃを分岐器１０５で２つに分岐され、うち一方の光を光変調器１０７にて変調させてＳＲＳ顕微鏡用のストークス光として用いる。そして、他方の光を第１の非線形光学媒質１０２、第２の非線形光学媒質１０３へ入射させ、シグナル光とアイドラー光とを生成させる。シグナル光とアイドラー光のいずれか一方の光（本実施形態ではシグナル光）は、信号パルス光（第２のパルス光）λ_ｓとしてバンドパスフィルタ１０８を介して射出される。

第１の非線形光学媒質１０２、第２の非線形光学媒質１０３には、それぞれの零分散波長が互いに異なっており、β_２＞０かつβ_４≦０の条件を満たし、非線形係数の高い光ファイバを好適に用いる。バンドパスフィルタ３０５から取り出された信号パルス光は、ＳＲＳ顕微鏡用のポンプ光として用いる。

ストークス光とポンプ光は合波器１０９にて合波され、被検体に照射される。互いに異なる中心波長を有する複数のパルス光を合波する合波器１０９としては、光カップラ、回折格子、プリズムなどを用いることができる。

合波されたストークス光とポンプ光は、ビームエキスパンダ１１０、Ｘスキャンミラー１１１、Ｙスキャンミラー１１２、対物レンズ１１３を経由して、ステージ１１５の上に設置した被検体１１４に集光される。

被検体１１４において、対物レンズ１１３の集光点中央の微小領域では、分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱が生じ、それによりポンプ光、ストークス光の強度変化が生じる。集光点中央の微小領域から外れると誘導ラマン散乱が生じないので、ポンプ光、ストークス光の強度変化は生じない。なお、被検体１１４に照射される光のスポットのサイズは、対物レンズ１１３のＮＡが大きいほど小さくなり、それに伴い、誘導ラマン散乱が生じる微小領域のサイズも小さくなる。

集光点中央の微小領域で発生した誘導ラマン散乱により強度変調されたポンプ光は、集光レンズ１１６、バンドパスフィルタ１１７を通過後、受光素子１１８へ入射してＳＲＳ信号として検出され、情報取得部１１９により画像信号として取得される。

一般的に分子のラマン散乱断面積σは小さいため、誘導ラマン散乱によるポンプ光の強度変化も微弱になる。このため、ポンプ光の強度変化からＳＲＳ信号を検出する際、ＳＲＳ信号がノイズ成分などに埋もれる場合がある。本実施形態では、同期検出器１２０と制御手段１２１とを備える情報取得部１１９を用い、受光素子１１８にて受光され電気信号に変換されたポンプ光の強度変調を光変調器の変調周波数に同期させて検出し、被検体１１４の分子振動イメージングを得ている。同期検出した信号を増幅すれば、ＳＲＳ信号を高感度に検出することが可能となる。

同期検出器１２０としては、ロックインアンプやＦＦＴアナライザなどを用いることができるが、ＦＦＴアナライザはロックインアンプに比べ高速にＳＲＳ信号を検出することが可能である。図３では、同期検出器１２０と制御手段１２１を別体で構成を示しているが、これらが一体となった情報取得部１１９を用いても良い。同期検出器１２０と制御手段１２１とが一体となった例としては、制御手段１２１として用いられるＣＰＵを備えるコンピュータが、同期検出機能を有するアプリケーションを内蔵する例が挙げられる。

Ｘスキャンミラー１１１を駆動すると、集光点が被検体１１４内部をＸ方向へスキャンし、Ｙスキャンミラー１１２を駆動すると、集光点が被検体１１４内部をＸ方向と垂直なＹ方向へスキャンすることができる。従って、Ｘスキャンミラー１１１、Ｙスキャンミラー１１２によって集光点を被検体１１４上で走査すれば、二次元画像を取得することができる。

さらに、一回の二次元スキャン終了後、ステージ１１５を動かして集光点を光軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の２次元スキャンを繰り返すことで、被検体１１４の三次元画像を得ることが可能となる。

また、一回の二次元スキャンまたは三次元スキャン終了後、励起光源１０１の中心波長を変化させることで、ポンプ光とストークス光の２波長間の差周波を変化させ、被検体１１４中に含まれる様々な分子の分子振動数に一致させることができる。これにより、二次元または三次元の分子振動画像を得ることが可能となる。

本実施形態にかかるＳＲＳ顕微鏡に用いる光源装置から射出されるパルス光のパルス幅は１ｎｓ以下であることが好ましく、１００ｐｓ以下であることがさらに好ましい。これは、パルス光のパルス幅が狭いほどパルス光のピーク強度が大きく、被検体１１４で生じる非線形効果の有無を精度よく検出することができるからである。また、励起光源１０１から射出されるパルス光のパルスレートは１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下が好ましい。これは、ＳＲＳ顕微鏡として現実的に求められる測定速度の制約から１ＭＨｚ以上が好ましく、被検体１１４に生じる熱的破壊の制約から１ＧＨｚ以下が好ましい。

また、ＳＲＳ顕微鏡は、生体組織の観察に好適に用いられることから、光源装置から出射される各パルス光は、生体による反射や吸収、散乱が小さく、透過し易い波長が好ましい。従って、光源装置から出射される各パルス光の中心波長は、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましく、７００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下であることが特に好ましい。例えば、励起光源１０１にはモード同期Ｙｂ（イッテルビウム）ドープファイバレーザが好適である。

以上のように、本実施形態に係るＳＲＳ顕微鏡は、ポンプ光のスペクトル線幅を狭くすることができる。従って、被検体３１２から得られるラマンスペクトルの分解能を向上させることができ、ＳＮ比の大きい鮮明な画像を取得することができる。

また、従来のＳＲＳ顕微鏡装置に比べ、光源装置を小型化、低コスト化することができたため、ＳＲＳ顕微鏡装置全体の小型化、低コスト化を実現することができる。

本実施形態では、２つのパルス光を被検体に照射し、前記被検体にて反射される光、前記被検体を透過する光、前記被検体において発せられる光の少なくとも１つを検出し、前記被検体の情報を取得する情報取得装置として、ＳＲＳ顕微鏡を例にとって説明した。しかし、これに限定されるものではなく、ＣＡＲＳ顕微鏡、蛍光顕微鏡、内視鏡などの各種分光情報を得る情報取得装置にも、本実施形態と同様に実施形態１乃至２のいずれかの光源装置を用いることができる。

１００光源装置
１０１励起光源
１０２第１の非線形光学媒質
１０３第２の非線形光学媒質
１０６共振器
１１８受光素子
１１９情報取得部
１２０同期検出器

Claims

第１のパルス光を射出する光源と、
前記第１のパルス光の入射により、第１の光パラメトリック利得を発生させる第１の非線形光学媒質と、
前記第１のパルス光の入射により、前記第１の光パラメトリック利得とは異なる第２の光パラメトリック利得を発生させる第２の非線形光学媒質と、
を備えており、
前記第１の非線形光学媒質および前記第２の非線形光学媒質は、いずれも前記第１のパルス光の中心波長において正常分散特性を有し、かつ、それぞれの零分散波長が互いに異なっており、
前記第１の非線形光学媒質と前記第２の非線形光学媒質が、直列に接続されていることを特徴とする光源装置。
前記第１の非線形光学媒質の零分散波長と前記第２の非線形光学媒質の零分散波長との差が、０．１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記第１の光パラメトリック利得の中心波長をλ_１、スペクトル半値幅をδλ_１、前記第２の光パラメトリック利得の中心波長をλ_２、スペクトル半値幅をδλ_２とするとき、
前記第１の非線形光学媒質と前記第２の非線形光学媒質とが、次の式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
前記第１のパルス光の中心波長が可変であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置。
前記第１および第２の非線形光学媒質が、前記第２のパルス光を発振させる共振器内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源装置。
前記第１のパルス光のパルスレートが、前記第１のパルス光の入射により前記第１の非線形光学媒質で発生するパルス光の中心波長における前記共振器の自由スペクトル間隔の整数倍であることを特徴とする請求項５記載の光源装置。
前記非線形光学媒質が、フォトニック結晶ファイバまたはテーパーファイバを含んでいることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
前記第１のパルス光のスペクトル幅が１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置。
中心波長が互いに異なる２つのパルス光を被検体に照射し、前記被検体にて反射される光、前記被検体を透過する光、前記被検体において発せられる光、のうち少なくとも１つを検出して前記被検体の情報を取得する情報取得装置であって、
中心波長が互いに異なる２つのパルス光を射出する光源装置と、
前記被検体にて反射される光、前記被検体を透過する光、前記被検体において発せられる光、のうち少なくとも１つを受光する受光素子と、
を備える情報取得装置であって、
前記光源装置が、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光源装置であることを特徴とする情報取得装置。
前記中心波長が互いに異なる２つのパルス光のパルスレートが、いずれも１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求項９に記載の情報取得装置。
前記中心波長が互いに異なる２つのパルス光のスペクトル幅が、いずれも１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９または１０に記載の情報取得装置。
さらに前記受光素子で受光した光を電気信号として取得する情報取得部を備えており、
前記情報取得部が、前記受光素子で受光した光の変調に同期して信号を取得する同期検出器を含むことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の情報取得装置。