JP2015230471A - 光源装置およびこれを用いた情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スペクトル幅の広い光と、スペクトル幅が狭く中心波長が可変な光と、を１つの光源装置から出力することのできる光源装置を提供することを目的とする。【解決手段】 第１のパルス光を発する光源と、前記第１のパルス光の入射により前記第１のパルス光とは異なる波長の第２のパルス光を発生させる非線形光学媒質と、を備えており、前記第１のパルス光の中心波長が、前記非線形光学媒質の零分散波長を跨いで可変であることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、スペクトル幅が可変な光源装置と、これを用いた情報取得装置に関する。

被検体の断層像を取得する方式として、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれる方式が知られている。ＯＣＴシステムは非破壊、非侵襲であるため、工業製品の検査や医療診断などに用いられる。

ＯＣＴシステムの一方式として、広帯域なスペクトル幅を有する光を被検体に照射し、ＯＣＴ光学系で干渉した光を分光器で分光してスペクトル情報を取得するＳＤ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴが知られている。ＳＤ−ＯＣＴでは、取得するスペクトル幅が広いほど断層像の分解能が向上するため、スペクトル幅の広い光を出力できる光源装置の開発が求められている。

また、光を被検体に照射して、被検体にて散乱される光、対象物を透過する光、被検体が発光する光のうちいずれかの光を検出することにより、被検体に含まれる物質に関する情報を取得することが可能である。例えば、バイオ分野では、蛍光色素を標識した被検体に特定波長の光を当てて発光させ、被検体に含まれる生体物質の分布状態を観察する蛍光イメージングが知られている。このような蛍光イメージングでは、照射する光の波長を蛍光色素の吸収波長に一致させるのが望ましい。そのため、中心波長が蛍光色素の吸収波長に近く、かつ、スペクトル幅の狭い光を出力することが可能な光源装置が求められている。さらに、観察する生体物質に応じて、吸収波長の異なる様々な種類の蛍光色素が用いられるため、中心波長が可変な光源装置が求められている。

非特許文献１には、スペクトル幅の広い光を照射するＳＤ−ＯＣＴと、スペクトル幅の狭い光を照射する蛍光イメージングと、を組み合わせたマルチモダリティ装置が開示されている。

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ １７（８）， ０８６００３， Ａｕｇｕｓｔ ２０１２

非特許文献１のマルチモダリティ装置は、スペクトル幅の広い光とスペクトル幅の狭い光を被検体に照射するために、互いに特性の異なる２つの光学系を備える光源装置を用意し、モダリティに応じて光学系（光源装置）を切り替えて測定を行っている。したがって、装置の大型化と高価格化を招いてしまうという課題があった。

本発明は上記課題に着目し、スペクトル幅の広い光とスペクトル幅が狭く中心波長が可変な光とを、１つの光源装置から出力させることを目的とする。

本発明により提供される光源装置は、第１のパルス光を発する光源と、前記第１のパルス光の入射により前記第１のパルス光とは異なる波長の第２のパルス光を発生させる非線形光学媒質と、を備えており、前記第１のパルス光の中心波長が、前記非線形光学媒質の零分散波長を跨いで可変であることを特徴とする。

本発明に係る光源装置は、１つの光学系で、スペクトル幅が広い光と、スペクトル幅が狭く中心波長が可変な光とを生成して出力することができるため、小型化と低価格化を実現することができる。

本発明にかかる光源装置の構成例を示す模式図 本発明にかかる光源装置の別の構成例を示す模式図 本発明にかかる光源装置を用いた、ＳＲＳ顕微鏡とＳＤ−ＯＣＴ装置とを備える情報取得装置の構成例を示す図 本発明にかかる光源装置を用いた、蛍光顕微鏡とＳＤ−ＯＣＴ装置とを備える情報取得装置の構成例を示す図 本発明に好適な非線形光学媒質の零分散波長と励起光波長との関係を説明する図 本発明に好適な非線形光学媒質の零分散波長と励起光波長との別の関係を説明する図 β_２＞０かつβ_４≧０の非線形光学媒質を用いた場合に生じる四光波混合について説明する模式図 β_２＞０かつβ_４＜０の非線形光学媒質を用いた場合に生じる四光波混合について説明する模式図 β_２≦０かつβ_４≧０の非線形光学媒質を用いた場合に生じる四光波混合について説明する模式図 β_２≦０かつβ_４＜０の非線形光学媒質を用いた場合に生じる四光波混合について説明する模式図

本発明に係る光源装置は、第１のパルス光である励起光を発する励起用光源と、前記第１のパルス光の入射によって第２のパルス光である信号光を発生させる非線形光学媒質と、を有している。励起光が非線形光学媒質に入射すると、非線形光学媒質で生じる四光波混合により、励起光とは異なる中心波長を有する信号光が発生する。このような非線形光学媒質としては光ファイバが広く用いられている。本発明において、中心波長とは、最もピーク強度の大きい波長を指す。

まず、本発明において重要な現象である、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つの信号光が新たに発生し、ω_１＋ω_２＝ω_３＋ω_４の関係満たす。

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（０を含む）、β_４を正（０を含む）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。

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。

本発明では、前述した縮退四光波混合の特性を利用して、１つの光源装置、即ち、１つの光学系で、スペクトル幅の狭くかつ中心波長が可変な光の出力と、スペクトル幅の広い光の出力とを可能にしている。言い換えると、本発明に係る光源装置は、スペクトル幅の狭くかつ中心波長が可変な光を出力する第１モードと、スペクトル幅の広い光を出力する第２モードと、を備えている。

具体的には、中心波長が非線形光学媒質の零分散波長を跨いで可変である励起光を用いると同時に、図５（ａ）に示した（ｉ）または（ｉｉ）の群速度分散特性を持つ非線形光学媒質を用いる。なお、非線形光学媒質の零分散波長とは、群速度分散β_２が０となる波長のことである。

図５（ａ）に示した（ｉ）または（ｉｉ）の群速度分布特性を有する非線形光学媒質は、零分散波長λ_０より短波長側でβ_２＞０かつβ_４＜０、零分散波長λ_０より長波長側でβ_２≦０を満たしている。このような群速度分布特性を有する非線形光学媒質に、非線形光学媒質の零分散波長λ_０よりも小さい中心波長λ_ｃの励起光を入射させると、図５（ｂ）のように、中心波長λ_ｉ、λ_ｓのアイドラー光とシグナル光が生成される第１モードとなる。励起光の中心波長λ_ｃを変化させると、λ_ｃに応じて信号光の中心波長λ_ｉ、λ_ｓも変化する。非線形光学媒質の零分散波長λ_０より大きい中心波長λ_ｃの励起光を入射させると、励起光のスペクトルにアイドラー光とシグナル光の波長域が加算され、図５（ｃ）のような励起光より広いスペクトル幅を有するブロードバンド光が生成される第２モードとなる。

図５（ａ）に変えて、図６（ａ）に示した（ｉ）または（ｉi）の群速度分散特性を持つ非線形光学媒質を用いることもできる。図６（ａ）に示した群速度分布特性を有する非線形光学媒質は、零分散波長λ_０より長波長側でβ_２＞０かつβ_４＜０、零分散波長λ_０より短波長側でβ_２≦０を満たしている。このような群速度分布特性を有する非線形光学媒質に、非線形光学媒質の零分散波長λ_０よりも大きい中心波長λ_ｃを有する励起光を入射させると、図６（ｂ）のように、中心波長λ_ｉ、λ_ｓの２つのナローバンド光が生成される第１モードとなる。そして、励起光の中心波長λ_ｃの変化させると、λ_ｃに応じてパルス光の中心波長λ_ｉ、λ_ｓも変化する。非線形光学媒質の零分散波長λ_０より小さい中心波長λ_ｃの励起光を入射させると、励起光のスペクトルにアイドラー光とシグナル光の波長域が加算され、図６（ｃ）のような励起光より広いスペクトル幅を有するブロードバンド光が発生される第２モードとなる。

以上をまとめると、励起光の中心波長を、前記線形光学媒質における零分散波長に対して第１モードと反対の関係に変えると、第２モードとなる。そして、本発明の光源装置には、数式（８）または（９）の関係を満たす特性の非線形光学媒質を用いれば良いことが分かる。そして、励起光の中心波長を非線形光学媒質の零分散波長を跨いで変化させると、１つの光源装置から、中心波長が可変なパルス光（ナローバンド光）とブロードバンド光とを出力させることを可能となる。
λ_ｃ＜λ_０のとき β_２＞０かつβ_４＜０
λ_ｃ≧λ_０のとき β_２≦０ 数式（８）
λ_ｃ≦λ_０のとき β_２≦０
λ_ｃ＞λ_０のとき β_２＞０かつβ_４＜０ 数式（９）
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について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は本実施形態に係る光源装置を示す模式図である。光源装置１００は、励起光であるパルス光を発する励起用光源１０１と、数式（８）または（９）の条件を満たす非線形光学媒質１０２と、光出力部１０３とを備えている。励起用光源１０１で発せられる励起光を非線形光学媒質１０２へ入射させて励起光とは異なる波長の光を発生させ、光出射部１０３を介して発生した光を取り出す構成となっている。

励起用光源１０１には、非線形光学媒質１０２の零分散波長を跨いで、中心波長が可変なパルス光を射出することの可能な光源を用いる。励起用光源は、射出するパルス光の中心波長が可変なものであればよく、エタロンフィルタや分光グレーティングなどを備える公知の光源を用いることができる。

非線形光学媒質１０２には、非線形係数の高い光ファイバ、具体的には、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。

以下、数式（８）を満たす非線形媒質１０２を備える光源装置１００について説明する。

中心波長が可変なパルス光（ナローバンド光）を出力する第１モードで動作させる場合は、励起光源１０１から、非線形光学媒質の零分散波長λ_０よりも短波長の中心波長λ_ｃを有する励起光を射出させる。励起パルス光を受けて、非線形光学媒質１０２ではスペクトル幅の狭いパルス光（ナローバンド光）を発生させることができる。励起光の中心波長を変化させると、発生する光の波長を、数式（５）の係数分だけ大きく変化させることができる。

光出力部１０３は、出力する光以外の帯域をカットするバンドパスフィルタを含んでいても良い。必要に応じてバンドパスフィルタにて不要な波長域の光がカットされ、励起用光源１０１から射出された励起光、光源装置１００で発生したアイドラー光およびシグナル光のうち１つまたは２つのパルス光が、出力される。光出力部１０３がバンドパスフィルタを備えていない場合は、光出力部１０３から出力した後、必要に応じて不要な波長域の光がカットすればよい。

光源装置１００を、ブロードバンド光を出力する第２モードで動作させる場合、励起用光源１０１から非線形光学媒質の零分散波長λ_０よりも長い中心波長λ_ｃを有する光を射出させると、非線形光学媒質１０２ではブロードバンド光を発生させることができる。

励起用光源１０１から射出させる励起光は、スペクトル幅が１ｎｍ以下のパルス光が好ましく、０．１ｎｍ以下のパルス光がより好ましい。これは、励起光のスペクトル幅が狭いほど四光波混合が非線形光学媒質１０２で効率良く起こり、光パラメトリック利得が十分に確保されるからである。

このように、図５（ａ）に示した分散を有する非線形光学媒質と、射出する光の中心波長が非線形光学媒質の零分散波長を跨いで可変な励起用光源とを組合せて、中心波長が可変なナローバンド光とブロードバンド光を、１つの光学系で生成することができる。従って、光源装置全体の小型化、低コスト化を実現することが可能となる。

（第２の実施形態）
図２に、本実施形態に係る光源装置の別の構成例を示す。光源装置１００は、パルス光を発する励起用光源１０１と、光合波器１０４と、非線形光学媒質１０２と、バンドパスフィルタ１０５と、光取出しカップラ（光出力部）１０３とを有している。

本実施形態では、非線形光学媒質１０２を光共振器内に配置し、非線形光学媒質１０２で発生した光を、非線形光学媒質１０２を複数回通過させてパラメトリック発振を行っている点で、実施形態１とは異なっている。非線形光学媒質１０２を含む光共振器１０６は、光パラメトリック発振器（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、以下ＦＯＰＯと略す）と呼ばれる。

本実施形態の光源装置１００においても、実施形態１と同様の、数式（８）または（９）を満たす非線形光学媒質１０２を用いることが可能であるが、ここでは、数式（８）を満たす非線形光学媒質１０２を用いる場合について説明する。

励起光の中心波長λ_ｃが非線形光学媒質１０２の零分散波長λ_０より短い第１モードでは、励起用光源１０１から射出した励起光は光合波器１０４を介して光共振器１０６内に入射する。この励起光が非線形光学媒質１０２を伝搬する間に、中心波長λ_ｉとλ_ｓの２つのパルス光が発生し、これらのパルス光が光共振器内１０６を周回して発振する。励起光や発振した２つのパルス光は、バンドパスフィルタ１０５にて不要な波長域の光がカットされた後、光取出しカップラ１０３を介して光共振器外へ出力される。

このとき、励起光は、非線形光学媒質１０２での光パラメトリック利得を十分に確保するため、スペクトル幅が１ｎｍ以下のパルス光が好ましく、０．１ｎｍ以下のパルス光がより好ましい。また、励起光のパルスレートを、アイドラー光またはシグナル光のうち出力するパルス光の波長における光共振器の自由スペクトル間隔（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ、以下ＦＳＲと略す場合がある）の整数倍にしておくのが好ましい。これにより、信号パルス光は光共振器内で効率良く発振し、ピーク強度の高いパルス光として出力することができる
励起用光源１０１から射出される励起光の中心波長λ_ｃが、非線形光学媒質１０６の零分散波長λ_０より長い第２モードでは、励起光が非線形光学媒質１０２を伝搬する間に、中心波長λ_ｉのスペクトル幅の広いブロードバンド光を発生し、出力する。

本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果に加え、光共振器内に非線形光学媒質部１０２を設けることでピーク強度の大きいパルス光を取り出すことが可能となる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、本発明に係る光源装置を用いた情報取得装置として、誘導ラマン散乱イメージング（ＳＲＳイメージング）を取得する第１測定系とＳＤ−ＯＣＴである第２測定系とを組み合わせたマルチモダリティ装置を例に挙げて説明する。

ＳＲＳイメージングとは、物質に照射されるポンプ光とストークス光の干渉によってストークス光が増幅される、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、互いに波長が異なる２つのパルス光のうち一方の光（ストークス光）を強度変調させ、２つのパルス光を同期させて被検体に照射する。２波長間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方のパルス光（ストークス光）が増幅される。このとき、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方のパルス光（ポンプ光）が減衰されるため、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波長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。

図３はＳＤ−ＯＣＴとＳＲＳイメージングを行う顕微鏡（ＳＲＳ顕微鏡）を組み合わせたマルチモダリティ装置の模式図である。

まず、本実施形態のマルチモダリティ装置を、ＳＲＳ顕微鏡として動作させる第１測定系について説明する。ＳＲＳ顕微鏡を構成する第１測定系では、励起用光源１０１で発せられる励起光を光分岐器１０７で分岐させ、一方の光を光変調器１１１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、他方の光を非線形光学媒質１０２へ入射してシグナル光とアイドラー光を生成し、いずれか一方の光（本実施形態ではシグナル光）を、光分岐器１０９、バンドパスフィルタ１０５を介して取り出し、ＳＲＳ顕微鏡用のポンプ光として用いる。このとき、光源１０１から射出する励起光の中心波長を、非線形光学媒質部１０２の零分散波長よりも短い波長とすることで、シグナル光とアイドラー光それぞれをスペクトル幅の狭いナローバンド光として発生させることができる。

ＳＲＳ顕微鏡用のストークス光とポンプ光を光合波器１０８で合波する。光合波器１０８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。

光合波器１０８で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１１２、Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４、対物レンズ１１５を経由して、ステージ１１６の上に設置した被検体１１７に集光される。集光点では、ポンプ光とストークス光との干渉によって誘導ラマン散乱が発生する。誘導ラマン散乱によって強度変調されたポンプ光は、集光レンズ１１８、バンドパスフィルタ１１９を介して、受光素子１２０に入射する。

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１２１と制御手段１２２とを備える情報取得部１２３を用い、受光素子１２０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して検出し、被検体１１７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１２１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。図では、同期検出器１２１と制御手段１２２が別体の構成を示しているが、これらが一体となった情報取得部１２３を用いても良い。同期検出器１２１と制御手段１２２とが一体となった例としては、制御手段１２２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している例が挙げられる。

Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４によって集光点を被検体１１７上で走査すれば、二次元画像を取得することができる。

励起光の中心波長λ_ｃを、非線形光学媒質１０２の零分散波長λ_０より短波長側で走査させると、シグナル光（ＳＲＳ顕微鏡用のポンプ光）の中心波長が変化する。即ち、励起光（ＳＲＳ顕微鏡用のストークス光）とシグナル光（ＳＲＳ顕微鏡用のポンプ光）との差周波が変化する。その結果、複数種類の分子の分子振動数に差周波を一致させることができ、被検体を構成する複数種類の分子についての分子振動イメージングを得ることができる。

次に、本実施形態のマルチモダリティ装置を、ＳＤ−ＯＣＴとして動作させる第２測定系について説明する。

中心波長が非線形光学媒質１０２の零分散波長よりも長い励起光を励起用光源１０１から射出して非線形光学媒質１０２へ入射し、ブロードバンド光を生成させる。ＳＤ−ＯＣＴに用いるブロードバンド光は一定の波長帯域で良いため、励起光の波長を走査させる必要はない。

生成したブロードバンド光は、光分岐器１０９にて測定光と参照光の２つに分割される。測定光は、バンドパスフィルタ１０５、光合波器１０８を介して出力され、ビームエキスパンダ１１２、Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４、対物レンズ１１５を経由して、ステージ１１６の上に設置した被検体１１７に照射される。被検体１１７で反射された光は、測定光と同じ経路で光分岐器１０９へと戻る。

参照光は、参照ミラー１３０に照射され、参照ミラー１３０で反射されて光分岐器１０９へと戻る。参照ミラー１３０で反射された参照光と被検体１１７で反射された測定光とは、光分岐器１０９で互いに干渉し、その干渉光は分光器１３１で分光され、検出部（ラインセンサ）１３２にて光のスペクトル情報として検出される。ラインセンサ１３２で検出された光のスペクトル情報を情報取得部１３３にてフーリエ変換などの処理を行ない、断層情報を得ることができる。Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４によって照射点を被検体１１７上で走査すれば、二次元の断層情報を取得することができる。

本実施形態における励起用光源１０１から射出される励起光は、パルス幅が１ｎｓ以下のパルス光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を大きくすることができ、被検体１１７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、励起用光源１０１から射出される励起光のパルスレートは、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下が好ましい。これは、マルチモダリティ装置として現実的に求められる測定速度を実現するために１ＭＨｚ以上が好ましく、被検体１１７に生じる熱的破壊を回避するため１ＧＨｚ以下が好ましいからである。

励起用光源１０１から出射される励起光のスペクトル幅は１ｎｍ以下が好ましく、０．１ｎｍ以下がより好ましい。これは、パルス光のスペクトル幅が狭いほど非線形光学媒質１０２で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されるからである。

本実施例にかかるマルチモダリティ装置は、生体組織の観察に好適に用いられることから、励起用光源１０１から出射される励起光は、生体による反射や吸収、散乱が小さく、透過し易い波長であることが好ましい。従って、励起用光源１０１から出射される励起光の中心波長は、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。

被検体１１７にパルス光を照射して、被検体１１７で生じるコヒーレントアンチストークスラマン散乱を検出する情報取得装置、あるいは被検体１１７において蛍光発光する光を検出する情報取得装置も、本実施形態と同様の構成をとることができる。

以上のように、本発明に係る光源装置をＳＤ−ＯＣＴとＳＲＳ顕微鏡を組み合わせたマルチモダリティ装置に用いることで、各モダリティに対応した、スペクトル幅の広い光とスペクトル幅が狭く中心波長が可変な光を、１つの光源から出力することできる。したがって、装置全体の小型化、低コスト化を実現することができる。また、本実施例では顕微鏡装置を例に挙げて説明したが、内視鏡装置にも応用可能である。

（第４の実施形態）
本発明にかかる第４の実施形態として、第１の実施形態の光源装置を用いた、二光子励起蛍光顕微鏡である第１測定系と、ＳＤ−ＯＣＴである第２測定系とを組み合わせたマルチモダリティ装置を説明する。

図４は本実施例に係るマルチモダリティ装置の模式図である。第１測定系である二光子励起蛍光顕微鏡は、光源装置１００は、励起用光源１０１と、非線形光学媒質部１０２と、光分岐器１０９と、バンドパスフィルタ１０５と、光変調器１１１とを備えている。さらに、ビームエキスパンダ１１２、Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４、対物レンズ１１５、ステージ１１６、集光レンズ１１８、バンドパスフィルタ１１９、受光素子１２０、情報取得部１２３を備えている。第２測定系であるＳＤ−ＯＣＴは、ステージ１１５上には、観察する被検体１１７として生体細胞試料を設置した。また、参照ミラー１３０、干渉部１０９、分光器１３２、検出部（ラインセンサ）１３２、情報取得部１３３を備えている。

まず、第一測定系である二光子励起蛍光顕微鏡について説明する。励起用光源１０１から発せられた励起光を非線形光学媒質部１０２に入射させるが、このとき、励起光の波長は、非線形光学媒質１０２の零分散波長よりも短波長となるように動作させる。こうすることで、スペクトル幅の狭い光を発生させることができる。

非線形光学媒質１０２にて発生した信号光は、バンドパスフィルタ１０５を通過して光変調器１１１へ入射される。バンドパスフィルタ１０５には、例えば、シグナル光を光源装置から出力する場合には、シグナル光の波長域を透過させ、他の波長域の光を遮断する特性を有するフィルタを用いる。

光変調器１１１を介して出力される光は、被検体の二光子吸収を起こすための励起光として使用される。光変調器１１１からの出力光は、ビームエキスパンダ１１５により径の太い光束に変換され、Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４を通過して、対物レンズ１１５によりステージ１１６上の被検体１１７内で集光させる。

被検体１１７としては、観察したい物質の種類に応じて蛍光色素により標識された生体細胞試料等を用いることができる。標識する生体細胞に応じて、互いに励起波長が異なる蛍光色素が用いられる。

被検体１１７において、対物レンズ１１５の集光点中央の微小領域では、蛍光色素が二光子励起され、蛍光色素の励起波長に応じた蛍光が生じるが、集光点中央の微小領域から外れると二光子励起が生じないので、蛍光は生じない。被検体１１７に照射される光のスポットのサイズは、対物レンズ１１５のＮＡが大きいほど小さくなり、それに伴い、蛍光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二光子励起蛍光は、集光レンズ１１８、バンドパスフィルタ１１９を通過後、受光素子１２０へ入射し、同期検出器１２１と制御手段１２２とを備える情報取得部１２３により画像信号として取得される。バンドパスフィルタ１１９には、測定する蛍光の波長域の光を透過させるがそれ以外の波長域の光を透過させない特性ものを用い、受光素子１２０に不要な光が入射するのを防いでいる。

Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４には、例えば１対のガルバノミラーを用いることができる。Ｘスキャンミラー１１３を主走査用、Ｙスキャンミラー１１４を副走査用として、互いの回転軸が直交するように配置し、制御手段１２２を用いて駆動することにより、集光点を被検体内で二次元に走査することができる。さらに、１回の二次元走査が完了した後、ステージ１１６を動かして集光点を光軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の二次元走査を繰り返すことで、被検体１１７の三次元画像を得ることが可能となる。制御手段１２２には市販のパーソナルコンピュータを用いることができる。

受光素子１２０にて受光され電気信号に変換された蛍光は、光変調器１１１の変調周波数に同期して検出され、被検体１１７の蛍光イメージングを得ることができる。同期検出した信号を増幅すれば、信号を高感度に検出することが可能となる。

同期検出器１２１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信号を検出することが可能である。図では、同期検出器１２１と制御手段１２２が別体の構成を示しているが、これらが一体となった情報取得部１２３を用いても良い。同期検出器１２１と制御手段１２２とが一体となった例としては、制御手段１２２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している例が挙げられる。

次に、第二測定系であるＳＤ−ＯＣＴを動作させる場合について説明する。

中心波長が非線形光学媒質１０２の零分散波長よりも長い励起光を励起用光源１０１から射出して非線形光学媒質１０２へ入射し、ブロードバンド光を生成させる。ＳＤ−ＯＣＴに用いるブロードバンド光は一定の波長帯域で良いため、励起光の波長を走査させる必要はない。

生成したブロードバンド光は、光分岐器１０９にて測定光と参照光の２つに分割される。測定光は、バンドパスフィルタ１０５、ビームエキスパンダ１１２、Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４、対物レンズ１１５を経由して、ステージ１１６の上に設置した被検体１１７に照射される。被検体１１７で反射された光は、測定光と同じ経路で光分岐器１０９へと戻る。

測定光は、参照ミラー１３０に照射され、参照ミラー１３０で反射されて光分岐器１０９へと戻る。参照ミラー１３０で反射された参照光と、被検体１１７で反射された測定光とは、光分岐器１０９で互いに干渉し、干渉した光は分光器１３１で分光され、ラインセンサ１３２にて光のスペクトル情報として検出される。

ラインセンサ１３２で検出された光のスペクトル情報を情報取得部１３３にてフーリエ変換などの情報処理し、断層情報を得ることができる。二光子顕微鏡と同様に、Ｘスキャンミラー１１３、Ｙスキャンミラー１１４によって照射点を被検体１１７上で走査すれば、二次元の断層情報を取得することができる。

１００ 光源装置
１０１ 励起用光源
１０２ 非線形光学媒質
１０６ 共振器
１２３、１３３ 情報取得部
１２１ 同期検出器

Claims (12)

1. 第１のパルス光を発する光源と、前記第１のパルス光の入射により前記第１のパルス光とは異なる波長の第２のパルス光を発生させる非線形光学媒質と、を備えており、前記第１のパルス光の中心波長が、前記非線形光学媒質の零分散波長を跨いで可変であることを特徴とする光源装置。
2. 中心波長が可変な第１のパルス光を発する光源と、前記第１のパルス光の入射により前記第１のパルス光とは異なる波長の第２のパルス光を発生させる非線形光学媒質と、を備える光源装置であって、
   前記第１のパルス光の中心波長を、前記線形光学媒質における零分散波長よりも短波長もしくは長波長として、スペクトル幅が１０ｎｍ以下の光を出力する第１モードと、
   前記第１のパルス光の中心波長を、前記線形光学媒質における零分散波長に対して前記第１モードと反対の関係に変えて、スペクトル幅が１００ｎｍ以上の光を出力する第２モードと、を有することを特徴とする光源装置。
3. 前記非線形光学媒質の零分散波長を、前記第１のパルス光の中心波長をλ_ｃとし、
   中心波長λ_ｃにおける前記非線形光学媒質の群速度分散をβ_２、群速度分散β_２の２次導関数をβ_４とするとき、前記非線形光学媒質が、
   β_２＞０かつβ_４＜０（λ_ｃ＜λ_０のとき）
   β_２≦０（λ_ｃ≧λ_０のとき）
   の関係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。
4. 前記非線形光学媒質を含み、前記第２のパルス光を発振させる共振器を有しており、前記第１のパルス光のパルスレートが、前記第２の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１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 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４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記第１のパルス光および前記第２のパルス光のパルス幅は、１ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記第１のパルス光のスペクトル幅は、１ｎｍ以下であ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。
8. 光源装置と、
   前記光源装置から出力される光を被検体に照射し、該被検体にて反射または散乱または透過する光、あるいは該被検体において発光する光を検出し、該被検体の情報を取得する情報取得部と、を備える第１測定系と、
   前記光源装置から出力される光を測定光と参照光に分割し、被検体を経由した前記測定光と前記参照光との干渉光を検出する検出部と、前記検出部で検出された情報に基づいて、前記被検体の断層情報を得る情報取得部と、を備える第２測定系と、
   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７のいずれか１項に記載の光源装置を含むことを特徴とする情報取得装置。
9. 前記情報取得部が、前記被検体に存在する分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱に基づく光を検出する顕微鏡であることを特徴とする請求項８に記載の情報取得装置。
10. 前記第１測定系が、前記被検体に存在する分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱に基づく光を検出する同期検出器を含むことを特徴とする請求項９に記載の情報取得装置。
11. 前記情報取得装置が、内視鏡装置を構成していることを特徴とする請求項８に記載の情報取得装置。
12. 前記第１のパルス光および前記第２のパルス光のパルスレートが、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の光源装置。

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