JP2016145718A - Optical pulse train synchronization device, optical pulse train synchronization method, illumination device, detection device, and program - Google Patents

Optical pulse train synchronization device, optical pulse train synchronization method, illumination device, detection device, and program Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical pulse train synchronization device capable of stably operating.SOLUTION: An optical pulse train synchronization device for synchronizing a first optical pulse train 21 including an optical pulse generated in a first period with a second optical pulse train 22 including an optical pulse generated in a second period includes photodetectors 5 and 6 which output a first signal corresponding to at least one of the light intensity of the first optical pulse train and the light intensity of the second optical pulse train, a photodetector 10 which outputs a second signal corresponding to a timing difference, and a control circuit 11 which outputs a control signal for adjusting at least one of the first period and the second period, so that the second signal becomes a target value obtained from the first signal.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、2台のパルスレーザが出射する2つの光パルス列においてパルスのタイミングを一致させる光パルス列同期装置に関する。   The present invention relates to an optical pulse train synchronizer that matches the timing of pulses in two optical pulse trains emitted by two pulse lasers.

誘導ラマン散乱顕微鏡などの非線形光学過程を利用した非線形光学顕微鏡では、2つのパルスレーザが出射する光パルス列を、パルスのタイミングを一致させた(またはタイミングの差を一定に保った)状態で試料に集光する必要がある。   In a nonlinear optical microscope using a nonlinear optical process such as a stimulated Raman scattering microscope, an optical pulse train emitted by two pulse lasers is applied to a sample in a state where the pulse timings are matched (or the timing difference is kept constant). It is necessary to collect light.

特許文献1は、2光子吸収を検出する光検出器の出力をパルスタイミング差として検出し、検出値が設定値になるようにパルス周期を調整する誘導ラマン散乱(SRS:StimulatedRaman Scattering)顕微鏡を提案している。特許文献2は、パルスタイミング差を検出する2つの光検出器の出力差に基づいてパルス周期を調整するコヒーレントアンチストークスラマン散乱(CARS:CoherentAnti−StokesRaman Scattering)顕微鏡を提案している。   Patent Document 1 proposes a stimulated Raman scattering (SRS) microscope that detects the output of a photodetector that detects two-photon absorption as a pulse timing difference and adjusts the pulse period so that the detected value becomes a set value. doing. Patent Document 2 proposes a Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) microscope that adjusts a pulse period based on an output difference between two photodetectors that detect a pulse timing difference.

国際公開第2010/140614号パンフレットInternational Publication No. 2010/140614 Pamphlet 特許第4862164号公報Japanese Patent No. 4862164

特許文献1では、パルスレーザが出力する光のパワーが変化した際、同期したパルスのタイミング差が変化する、またはパルス同期が実現できなくなる。特許文献2は、2つの光検出器を用いることで、光のパワーが変化しても光パルス列の同期を実現することができるものの、2つの光検出器は感度を一致させ、かつそれぞれに入力する光のパワーとパルス時間幅が同じになるように構成しなければならない。そうでないと、光パルス列同期が実現できなかったり、同期したパルスのタイミング差が変化したりする。さらに、光検出器の出力は集光する対物レンズと光検出器の受光面の配置に大きく依存するため、2つの光検出器で対物レンズと光検出器の配置を煩雑にも一致させなければならない。   In Patent Document 1, when the power of light output from a pulse laser changes, the timing difference between synchronized pulses changes, or pulse synchronization cannot be realized. Although Patent Document 2 uses two photodetectors to achieve synchronization of the optical pulse train even if the light power changes, the two photodetectors have the same sensitivity and are input to each. The power of the light to be transmitted and the pulse time width must be the same. Otherwise, optical pulse train synchronization cannot be realized, or the timing difference between the synchronized pulses changes. In addition, since the output of the photodetector largely depends on the arrangement of the focusing objective lens and the light receiving surface of the photodetector, the arrangement of the objective lens and the photodetector must be complicatedly matched between the two photodetectors. Don't be.

本発明は、安定して動作することが可能な光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラムを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide an optical pulse train synchronization device, an optical pulse train synchronization method, an illumination device, a detection device, and a program that can operate stably.

本発明の光パルス列同期装置は、第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列と第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列とを同期させる光パルス列同期装置であって、前記第1の光パルス列の光強度及び前記第2の光パルス列の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号を出力する第1の検出手段と、前記第1の光パルス列に含まれる光パルス及び前記第2の光パルス列に含まれる光パルスが到達するタイミング差に対応する第2の信号を出力する第2の検出手段と、前記第2の信号が前記第1の信号から得られる目標値になるように、前記第1の周期及び前記第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号を出力する制御手段と、を有することを特徴とする。   The optical pulse train synchronizer of the present invention synchronizes the first optical pulse train including the optical pulse generated in the first cycle and the second optical pulse train including the optical pulse generated in the second cycle. A first detector that outputs a first signal corresponding to at least one of the light intensity of the first optical pulse train and the light intensity of the second optical pulse train; Second detection means for outputting a second signal corresponding to a timing difference between an optical pulse included in the pulse train and an optical pulse included in the second optical pulse train; and the second signal is the first signal Control means for outputting a control signal for adjusting at least one of the first period and the second period so as to obtain a target value obtained from the signal.

本発明は、安定して動作することが可能な光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラムを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide an optical pulse train synchronization device, an optical pulse train synchronization method, an illumination device, a detection device, and a program that can operate stably.

本発明の光パルス列同期装置のブロック図である。(実施例1)1 is a block diagram of an optical pulse train synchronization apparatus of the present invention. Example 1 図1に示す光検出器10の出力電圧を表すグラフである。(実施例1)It is a graph showing the output voltage of the photodetector 10 shown in FIG. Example 1 図1に示す第1の光パルス列と第2の光パルス列が同期したときのそれぞれの強度の時間プロファイルである。(実施例1)It is a time profile of each intensity | strength when the 1st optical pulse train and 2nd optical pulse train which are shown in FIG. 1 synchronize. Example 1 本発明の光パルス列同期装置のブロック図である。(実施例2)1 is a block diagram of an optical pulse train synchronization apparatus of the present invention. (Example 2) 図4に示す光検出器10の出力電圧を表すグラフである。(実施例2)It is a graph showing the output voltage of the photodetector 10 shown in FIG. (Example 2) 図1に示す光パルス列同期装置を利用したSRS顕微鏡の概念図である。(実施例3)It is a conceptual diagram of the SRS microscope using the optical pulse train synchronizing device shown in FIG. (Example 3) 図6に示すSRS顕微鏡における、第1の光パルス列と第2の光パルス列のそれぞれの強度の時間プロファイルである。(実施例3)It is a time profile of each intensity | strength of the 1st optical pulse train and the 2nd optical pulse train in the SRS microscope shown in FIG. (Example 3)

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1は、実施例1の光パルス列同期装置(以下、単に「同期装置」と称する)の光路図である。同期装置は、パルスレーザ(第1の光源手段)1が出射する第1の光パルス列21とパルスレーザ(第1の光源手段とは異なる第2の光源手段)2が出射する第2の光パルス列22を同期させる。同期装置、パルスレーザ1及びパルスレーザ2は、試料を照明する照明装置を構成する。   FIG. 1 is an optical path diagram of an optical pulse train synchronizer (hereinafter simply referred to as “synchronizer”) according to the first embodiment. The synchronization device includes a first optical pulse train 21 emitted from a pulse laser (first light source means) 1 and a second optical pulse train emitted from a pulse laser (second light source means different from the first light source means) 2. 22 is synchronized. The synchronization device, the pulse laser 1 and the pulse laser 2 constitute an illumination device that illuminates the sample.

光パルス列は、パルスレーザが発する一連の光パルスである。即ち、同期装置は、第1の光パルス列21に含まれる光パルスと第2の光パルス列22に含まれる光パルスが到達するタイミング差を一定に維持する。第1の光パルス列21の波長(λ1)と第2の光パルス列22の波長(λ2)は互いに異なるものとする。   An optical pulse train is a series of optical pulses emitted by a pulse laser. That is, the synchronizer maintains a constant timing difference between the arrival of the optical pulse included in the first optical pulse train 21 and the optical pulse included in the second optical pulse train 22. The wavelength (λ1) of the first optical pulse train 21 and the wavelength (λ2) of the second optical pulse train 22 are different from each other.

パルスレーザ1は、その共振器長を変更させることができ、第1の光パルス列21のパルス周期(第1の周期)を調整することができる。パルスのタイミングずれに応じて第1の周期を調整し、第2の光パルス列22のパルス周期(第2の周期)と第1の周期の比を正確に整数対整数とすることで、パルスのタイミングを一致させることができる。第1の光パルス列は第1の周期で生成される光パルスを含み、第2の光パルス列は第2の周期で生成される光パルスを含む。   The pulse length of the pulse laser 1 can be changed, and the pulse period (first period) of the first optical pulse train 21 can be adjusted. The first period is adjusted according to the timing difference of the pulse, and the ratio of the pulse period (second period) of the second optical pulse train 22 to the first period is accurately set to an integer to an integer. Timing can be matched. The first optical pulse train includes optical pulses generated in the first period, and the second optical pulse train includes optical pulses generated in the second period.

ビームスプリッタ3は、パルスレーザ1が出射した光ビームの一部を右方向に反射し、残りを下方向に透過する。ビームスプリッタ4は、パルスレーザ2が出射した光ビームの一部を下方向に反射し、残りを右方向に透過する。ビームスプリッタ3および4は、一定の割合で入射光を反射させることができればよいため、ガラス平板を利用することができる。また、所定の反射率となるようコーティングを施した平板でもよいし、偏光ビームスプリッタを利用してもよい。   The beam splitter 3 reflects a part of the light beam emitted from the pulse laser 1 in the right direction and transmits the rest in the downward direction. The beam splitter 4 reflects a part of the light beam emitted from the pulse laser 2 in the downward direction and transmits the rest in the right direction. Since the beam splitters 3 and 4 need only be able to reflect incident light at a certain rate, a glass flat plate can be used. Further, a flat plate coated with a predetermined reflectance or a polarizing beam splitter may be used.

光検出器5は、ビームスプリッタ3で反射した光を受光し、入射光(第1の光パルス列21)のパワーに比例した信号を取得する。即ち、光検出器5は、第1の光パルス列21の光強度に対応する信号(第1の信号)を出力する光強度検出手段(第1の検出手段)として機能する。光検出器6は、ビームスプリッタ4で反射した光を受光し、入射光(第2の光パルス列22)のパワーに比例した信号を取得する。即ち、光検出器6は、第2の光パルス列22の光強度に対応する信号(第1の信号)を出力する光強度検出手段(第1の検出手段)として機能する。   The photodetector 5 receives the light reflected by the beam splitter 3 and acquires a signal proportional to the power of the incident light (first optical pulse train 21). That is, the photodetector 5 functions as light intensity detection means (first detection means) that outputs a signal (first signal) corresponding to the light intensity of the first optical pulse train 21. The photodetector 6 receives the light reflected by the beam splitter 4 and acquires a signal proportional to the power of the incident light (second optical pulse train 22). That is, the photodetector 6 functions as light intensity detection means (first detection means) that outputs a signal (first signal) corresponding to the light intensity of the second optical pulse train 22.

光検出器5及び6は、フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなどの受光素子と受光素子で発生した電流を電圧に変換する電気回路からなる。後述する実施例2で説明するように、光検出器5と6は少なくとも一方が設けられていれば足りる。即ち、光強度検出手段は、第1の光パルス列21の光強度と第2の光パルス列22の光強度の少なくとも一方を検出すれば足りる。   The photodetectors 5 and 6 include a light receiving element such as a photodiode or an avalanche photodiode and an electric circuit that converts a current generated in the light receiving element into a voltage. As will be described later in Example 2, it is sufficient that at least one of the photodetectors 5 and 6 is provided. In other words, the light intensity detecting means only needs to detect at least one of the light intensity of the first optical pulse train 21 and the light intensity of the second optical pulse train 22.

ダイクロイックミラー7は、第1の光パルス列21を透過させ、第2の光パルス列22を反射させることで、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22を同軸に合波させる。ダイクロイックミラー7には、波長λ1の光を透過させ、波長λ2の光を反射させるように設計した誘電体多層膜を利用する。   The dichroic mirror 7 transmits the first optical pulse train 21 and reflects the second optical pulse train 22 to multiplex the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 coaxially. The dichroic mirror 7 uses a dielectric multilayer film designed to transmit light of wavelength λ1 and reflect light of wavelength λ2.

ビームスプリッタ8は、ダイクロイックミラー7で合波された第1の光パルス列21と第2の光パルス列22を2方向に分波する。入射光の一部は反射して同期装置で利用し、入射光の残りは透過して非線形光学顕微鏡など同期した光パルス列が必要なシステムで利用する。   The beam splitter 8 demultiplexes the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 combined by the dichroic mirror 7 in two directions. A part of the incident light is reflected and used in the synchronization device, and the rest of the incident light is transmitted and used in a system that requires a synchronized optical pulse train such as a nonlinear optical microscope.

ビームスプリッタ8は、一定の割合で入射光を反射させることができればよいため、ガラス平板を利用することができる。また、所定の反射率となるようコーティングを施した平板を利用してもよいし、偏光ビームスプリッタを利用してもよい。   Since the beam splitter 8 only needs to reflect incident light at a constant rate, a glass flat plate can be used. Further, a flat plate coated with a predetermined reflectance may be used, or a polarizing beam splitter may be used.

ビームスプリッタ8で反射した第1の光パルス列21及び第2の光パルス列22は、対物レンズ9により光検出器10の受光面上に集光される。光検出器10で検出する2光子吸収信号を大きくするため、対物レンズ9は開口数が0.5以上のものが好ましい。   The first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 reflected by the beam splitter 8 are condensed on the light receiving surface of the photodetector 10 by the objective lens 9. In order to increase the two-photon absorption signal detected by the photodetector 10, the objective lens 9 preferably has a numerical aperture of 0.5 or more.

光検出器10は、第1の光パルス列21に含まれる光パルスと第2の光パルス列22に含まれる光パルスが受光面に到達するタイミング差に対応するタイミング差検出信号(第2の信号)を出力するタイミング差検出手段(第2の検出手段)として機能する。光検出器10は、例えば、フォトダイオードなどの受光素子と、受光素子で生じた電流を電圧に変換して出力する電気回路からなる。光検出器10の受光素子は、2光子吸収信号を得るために、第1の光パルス列21の光子エネルギー(E1∝1/λ1)と第2の光パルス列22の光子エネルギー(E2∝1/λ2)の和、つまりE1+E2に対応した波長λ1・λ2/(λ1+λ2)に感度を有する。λ1が1030ナノメートル、λ2が800ナノメートルである場合、450ナノメートルに光検出の感度があればよい。   The photodetector 10 is a timing difference detection signal (second signal) corresponding to a timing difference between the light pulse included in the first light pulse train 21 and the light pulse included in the second light pulse train 22 reaching the light receiving surface. It functions as a timing difference detection means (second detection means) that outputs. The photodetector 10 includes, for example, a light receiving element such as a photodiode and an electric circuit that converts a current generated in the light receiving element into a voltage and outputs the voltage. In order to obtain a two-photon absorption signal, the light receiving element of the photodetector 10 has a photon energy (E1∝1 / λ1) of the first optical pulse train 21 and a photon energy (E2∝1 / λ2) of the second optical pulse train 22. ), That is, the wavelength λ1 · λ2 / (λ1 + λ2) corresponding to E1 + E2. When λ1 is 1030 nanometers and λ2 is 800 nanometers, it is sufficient that the sensitivity of light detection is 450 nanometers.

図2は、光検出器10の出力電圧(縦軸)と、第1の光パルス列21が光検出器10の受光面に到着したタイミングから第2の光パルス列22が同受光面に到達したタイミングを差し引いた差(横軸)の関係を示すグラフである。   FIG. 2 shows the output voltage (vertical axis) of the photodetector 10 and the timing at which the second optical pulse train 22 arrives at the light receiving surface from the timing at which the first optical pulse train 21 arrives at the light receiving surface of the photodetector 10. It is a graph which shows the relationship of the difference (horizontal axis) which subtracted.

光検出器10の出力(タイミング差検出信号)には、E1+E2に対応した2光子吸収信号以外にE1+E1およびE2+E2に対応した2光子吸収信号が含まれる。E1+E1およびE2+E2に対応した2光子吸収信号は、E1+E2に対応した2光子吸収信号にオフセットを与えている。E1+E1およびE2+E2に対応した2光子吸収はそれぞれ第1および第2の周期で発生するが、光検出器10の出力電圧の帯域周波数をこれらの周期に対応した周波数に比べて小さく設定しているため、出力電圧としてはDC成分(オフセット)となる。   In addition to the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2, the output (timing difference detection signal) of the photodetector 10 includes a two-photon absorption signal corresponding to E1 + E1 and E2 + E2. The two-photon absorption signal corresponding to E1 + E1 and E2 + E2 gives an offset to the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2. Two-photon absorption corresponding to E1 + E1 and E2 + E2 occurs in the first and second periods, respectively, but the band frequency of the output voltage of the photodetector 10 is set smaller than the frequency corresponding to these periods. The output voltage is a DC component (offset).

E1+E2に対応した2光子吸収信号は、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のタイミングが一致したとき(つまり、同時に光検出器10の受光面に到達したとき)に発生する。2つのパルスのピーク強度が完全に一致したとき、最大の信号が得られ、その信号は、第1の光パルス列21のパワーと第2の光パルス列22のパワーの積に比例する。つまり、E1+E2に対応した2光子吸収信号の最大値は、比例係数a0と光検出器5の出力電圧V1と光検出器6の出力電圧V2を用いて、a0・V1・V2と表現できる。   The two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2 is generated when the timings of the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 coincide (that is, when the light-receiving surface of the photodetector 10 is reached at the same time). When the peak intensities of the two pulses completely match, the maximum signal is obtained, which is proportional to the product of the power of the first optical pulse train 21 and the power of the second optical pulse train 22. That is, the maximum value of the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2 can be expressed as a0 · V1 · V2 using the proportionality coefficient a0, the output voltage V1 of the photodetector 5, and the output voltage V2 of the photodetector 6.

同様に、E1+E1に対応した2光子吸収信号は、比例係数a1とV1を用いて、a1・V1・V1と表現でき、E2+E2に対応した2光子吸収信号は比例係数a2とV2を用いて、a2・V2・V2と表現できる。   Similarly, a two-photon absorption signal corresponding to E1 + E1 can be expressed as a1 · V1 · V1 using proportional coefficients a1 and V1, and a two-photon absorption signal corresponding to E2 + E2 is expressed as a2 using proportional coefficients a2 and V2. -It can be expressed as V2 / V2.

比例係数a0、a1、a2は、オシロスコープやデータロガーなどを用いて取得した図2に対応するデータと、光検出器5および6の出力電圧から容易に算出することができ、記憶手段に記憶されている。   The proportional coefficients a0, a1, and a2 can be easily calculated from the data corresponding to FIG. 2 acquired using an oscilloscope or a data logger and the output voltages of the photodetectors 5 and 6, and stored in the storage means. ing.

光検出器10の出力電圧、光検出器5の出力電圧および光検出器6の出力電圧は、制御回路11に入力される。制御回路11は、入力電圧に基づいて、パルス同期するための信号をパルス周期調整手段12へ出力する制御手段であり、マイクロコンピュータから構成される。制御回路11は、光検出器10の出力電圧(第2の信号)が、次式に示す第1の信号から得られる目標値になるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号をパルス周期調整手段12へ出力する。つまり、制御回路11は、パルスレーザ1及び2の少なくとも一方に、制御信号を入力する。   The output voltage of the photodetector 10, the output voltage of the photodetector 5, and the output voltage of the photodetector 6 are input to the control circuit 11. The control circuit 11 is a control means for outputting a signal for pulse synchronization to the pulse period adjusting means 12 based on the input voltage, and is constituted by a microcomputer. The control circuit 11 has at least one of the first period and the second period so that the output voltage (second signal) of the photodetector 10 becomes a target value obtained from the first signal represented by the following equation. A control signal for adjusting the signal is output to the pulse period adjusting means 12. That is, the control circuit 11 inputs a control signal to at least one of the pulse lasers 1 and 2.

目標値=a0/2・V1・V2+a1・V1・V1+a2・V2・V2 (1)
即ち、制御回路は、タイミング差検出信号が目標値VAになるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方(ここでは、第1の周期)を調整するための制御信号を出力する。なお、目標値はVAに限定されるものではない。
Target value = a0 / 2 · V1 · V2 + a1 · V1 · V1 + a2 · V2 · V2 (1)
That is, the control circuit outputs a control signal for adjusting at least one of the first cycle and the second cycle (here, the first cycle) so that the timing difference detection signal becomes the target value VA. . The target value is not limited to VA.

制御回路11は、光検出器10の出力電圧の目標値の情報を保存する記憶手段を有しており、この目標値は書き換え可能である。このため、記憶手段は、例えば、EEPROMなどから構成される。目標値の情報は、例えば、数式(1)、比例係数a0、a1、a2、εを含む。   The control circuit 11 has storage means for storing information on the target value of the output voltage of the photodetector 10, and this target value can be rewritten. For this reason, the storage means is composed of, for example, an EEPROM. The target value information includes, for example, Equation (1) and proportional coefficients a0, a1, a2, and ε.

パルス周期調整手段12は、位相変調器またはミラーを取り付けたステージによって構成され、位相変調器への電圧印加やステージ駆動によりパルスレーザ1の共振器長を調整する。共振器長の調整により、第1の周期が変更され、パルスタイミングを調整することができる。また、パルス周期調整手段12は、パルスレーザ1内ではなく、パルスレーザ2内に設置して、パルスレーザ2の共振器長を調整してもよい。本発明では、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方を調整するパルス周期調整手段が設けられていれば足りる。   The pulse period adjusting means 12 is constituted by a stage to which a phase modulator or a mirror is attached, and adjusts the resonator length of the pulse laser 1 by applying a voltage to the phase modulator or driving the stage. The first period is changed by adjusting the resonator length, and the pulse timing can be adjusted. Further, the pulse period adjusting means 12 may be installed not in the pulse laser 1 but in the pulse laser 2 to adjust the resonator length of the pulse laser 2. In the present invention, it is only necessary to provide a pulse period adjusting means for adjusting at least one of the first period and the second period.

制御回路11は、図2の一点鎖線で示すタイミング差が得られるように、第1の周期を制御する。パルス同期しているときの、光検出器10の受光面における第1の光パルス列21および第2の光パルス列22の強度(縦軸)と時間t(横軸)の関係を、それぞれ図3(a)および(b)に示す。パルス同期が実現すると、第1の光パルス列21の特定の光パルス21Aの強度ピークと、第2の光パルス列22の特定の光パルス22Aの強度ピークの間のタイミング差が、図2に示すパルス同期した際のタイミング差TDと一致する。パルス同期が継続的に実現すると、光パルス21Aに隣接した光パルス21Bに対しても、図2で示したタイミング差を持って、光パルス列22の光パルス22Bが光検出器10の受光部に到達する。   The control circuit 11 controls the first cycle so that the timing difference indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 2 is obtained. The relationship between the intensity (vertical axis) and time t (horizontal axis) of the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 on the light receiving surface of the photodetector 10 during pulse synchronization is shown in FIG. Shown in a) and (b). When pulse synchronization is realized, the timing difference between the intensity peak of the specific optical pulse 21A of the first optical pulse train 21 and the intensity peak of the specific optical pulse 22A of the second optical pulse train 22 is the pulse shown in FIG. It coincides with the timing difference TD when synchronized. When the pulse synchronization is continuously realized, the optical pulse 22B of the optical pulse train 22 is applied to the light receiving unit of the photodetector 10 with the timing difference shown in FIG. 2 for the optical pulse 21B adjacent to the optical pulse 21A. To reach.

図3において、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のパルス周期の比を2:1としたが、パルス周期の比2:1は一例であり、本発明はパルス周期の比がm:nの場合に適用することができる。但し、m、nはそれぞれ任意の自然数である。   In FIG. 3, the ratio of the pulse periods of the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 is 2: 1. However, the ratio of the pulse periods of 2: 1 is an example, and the present invention has a pulse period ratio of It can be applied in the case of m: n. However, m and n are arbitrary natural numbers, respectively.

光検出器10の出力電圧が目標値VAよりも高い場合、図3に示すパルス同期状態よりも、光パルス21Aと光パルス22Aが近接することになる。よって、制御回路11は、第1の光パルス列21が進むよう、第1の周期を小さくするような(共振器長を小さくするような)信号をパルス周期調整手段12へ出力する。逆に、光検出器10の出力電圧が目標値VAよりも低い場合、制御回路11は、第2の光パルス列22に対して第1の光パルス列21が遅れるよう、第1の周期を大きくするような(共振器長を大きくするような)信号をパルス周期調整手段12へ出力する。パルス周期調整手段12へ出力する信号は、図2において、一点鎖線で示した領域近傍で制御が安定して行われるよう帯域と電圧の振幅を設定する。   When the output voltage of the photodetector 10 is higher than the target value VA, the optical pulse 21A and the optical pulse 22A are closer to each other than in the pulse synchronization state shown in FIG. Therefore, the control circuit 11 outputs a signal for reducing the first period (decreasing the resonator length) to the pulse period adjusting unit 12 so that the first optical pulse train 21 advances. Conversely, when the output voltage of the photodetector 10 is lower than the target value VA, the control circuit 11 increases the first period so that the first optical pulse train 21 is delayed with respect to the second optical pulse train 22. Such a signal (which increases the resonator length) is output to the pulse period adjusting means 12. In the signal output to the pulse period adjusting unit 12, the band and the amplitude of the voltage are set so that the control is stably performed in the vicinity of the region indicated by the one-dot chain line in FIG.

上述の制御により、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22は、光検出器10の受光面で一定のタイミング差が維持される。   With the above-described control, the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 are maintained at a constant timing difference on the light receiving surface of the photodetector 10.

ここで、パルスレーザ1またはパルスレーザ2の出力パワーが変化した際の、同期装置の振る舞いについて考察する。従来の同期装置では、目標値VAは固定値であった。出力パワーが減少したときの光検出器10の出力電圧とパルスタイミング差の関係を図2の破線で示す。E1+E2に対応した2光子吸収信号が減少するだけでなく、オフセット電圧を与えているE1+E1、E2+E2に対応した2光子吸収信号も減少する。結果として、出力パワー減少前に設定していた目標値VAに、光検出器10の出力電圧が達することはなく、パルス同期することができなくなる。出力パワーの変化量が小さい場合はパルス同期することができても、パルスのタイミング差が出力パワーの変化に応じて変わる。このため、従来の同期装置では、同期装置に入力する光のパワーが変化した場合、パルス同期が継続できない、パルス同期が安定しない(パルスのタイミング差が一定ではない)といった課題があった。   Here, the behavior of the synchronization device when the output power of the pulse laser 1 or the pulse laser 2 is changed will be considered. In the conventional synchronizer, the target value VA is a fixed value. The relationship between the output voltage of the photodetector 10 and the pulse timing difference when the output power decreases is shown by a broken line in FIG. Not only does the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2 decrease, but the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E1 and E2 + E2 giving the offset voltage also decreases. As a result, the output voltage of the photodetector 10 does not reach the target value VA set before the output power is reduced, and pulse synchronization cannot be performed. If the change amount of the output power is small, the pulse timing difference changes according to the change of the output power even if the pulse synchronization can be performed. For this reason, in the conventional synchronization device, when the power of light input to the synchronization device is changed, there is a problem that the pulse synchronization cannot be continued or the pulse synchronization is not stable (the pulse timing difference is not constant).

そこで、制御回路11は、光検出器5及び6の検出結果に基づいて、目標値VAを図2の二点鎖線で示す目標値VBに変更(調整)する。目標値の変更により、同期装置に入力する光のパワーが変化しても、パルス同期を継続させ、パルスのタイミング差も一定に保つことができる。   Therefore, the control circuit 11 changes (adjusts) the target value VA to the target value VB indicated by the two-dot chain line in FIG. 2 based on the detection results of the photodetectors 5 and 6. Even if the power of light input to the synchronization device changes due to the change of the target value, the pulse synchronization can be continued and the pulse timing difference can be kept constant.

制御回路11は、光検出器5及び6の検出結果の少なくとも一方が変化と、記憶手段に記憶された目標値の情報(本実施例では、数式(1)、比例係数a0、a1、a2)に基づいて目標値を算出する(算出ステップ)。算出ステップは、本実施例では常時行われるが、光検出器5及び6の検出結果が変化するたびに行われたり、定期的に行われたりしてもよい。これにより、目標値が随時更新される。目標値VA、VBは共に数式(1)で表される。また、このときタイミング差TDも維持されるので、数式(1)は、所定のタイミング差を維持する機能も有する。   The control circuit 11 changes information of at least one of the detection results of the photodetectors 5 and 6 and information on the target value stored in the storage means (in this embodiment, equation (1), proportional coefficients a0, a1, a2). A target value is calculated based on (calculation step). The calculation step is always performed in the present embodiment, but may be performed every time the detection results of the photodetectors 5 and 6 change or may be performed periodically. Thereby, the target value is updated as needed. The target values VA and VB are both expressed by Equation (1). In addition, since the timing difference TD is also maintained at this time, Equation (1) also has a function of maintaining a predetermined timing difference.

数式(1)において、第1項の比例係数はパルス同期が最も安定な値としてa0/2としたが、0〜a0の範囲であれば他の値に設定してもパルス同期が可能である。比例係数a0/2を比例係数a3(=a0・ε)とおいて数式(1)を変形すると以下のようになる。εは0〜1の範囲の値であり、1/2またはその近傍においてパルス同期が最も安定する。   In Equation (1), the proportional coefficient of the first term is a0 / 2 as the most stable value of pulse synchronization, but pulse synchronization is possible even if it is set to other values within the range of 0 to a0. . When the proportionality coefficient a0 / 2 is set to the proportionality coefficient a3 (= a0 · ε), the formula (1) is modified as follows. ε is a value in the range of 0 to 1, and the pulse synchronization is most stable at 1/2 or the vicinity thereof.

目標値=a3・V1・V2+a1・V1・V1+a2・V2・V2 (1’)
第1項の比例係数を0〜a0の範囲で調整することで、光検出器10の受光面における第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のタイミング差を調整することもできる。光検出器10の受光面におけるタイミング差を変更することで、ビームスプリッタ8を透過し、非線形光学顕微鏡で利用する光パルス列のタイミング差を変更することができる。タイミング差の調整は、ダイクロイックミラー8から光検出器10の受光面までの光路長を第1の光パルス列21と第2の光パルス列22とで差をつけることでも行うことができる。例えば、ダイクロミラー8と対物レンズ9の間にステージとミラーで構成するディレイ調整機構やガラスブロックを挿入することでパルスのタイミング差を調整できる。
Target value = a3.V1.V2 + a1.V1.V1 + a2.V2.V2 (1 ')
By adjusting the proportionality coefficient of the first term in the range of 0 to a0, the timing difference between the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 on the light receiving surface of the photodetector 10 can also be adjusted. By changing the timing difference on the light receiving surface of the photodetector 10, it is possible to change the timing difference of the optical pulse train that is transmitted through the beam splitter 8 and used in the nonlinear optical microscope. The timing difference can also be adjusted by making a difference between the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 in the optical path length from the dichroic mirror 8 to the light receiving surface of the photodetector 10. For example, a pulse timing difference can be adjusted by inserting a delay adjustment mechanism or glass block composed of a stage and a mirror between the dichroic mirror 8 and the objective lens 9.

制御回路11が実行する、第1の周期で生成される第1の光パルス列と第2の周期で生成される第2の光パルス列とを同期させる光パルス列同期方法も本発明の一側面を構成する。この光パルス列同期方法は、タイミング差検出信号が目標値になるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方を調整させる信号をパルス周期調整手段に出力するステップを有する。また、この光パルス列同期方法は、コンピュータによって実行され、算出ステップと出力ステップを有する。算出ステップでは、第1の光パルス列21の光強度及び第2の光パルス列22の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号から目標値を算出する。第2の信号は、第1の光パルス列21に含まれる光パルスと第2の光パルス列22に含まれる光パルスとのタイミング差に対応する。出力ステップでは、第2の信号が目標値になるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号をパルス周期調整手段12に出力する。本実施例では、図2に示す第2の信号が実線状態から破線状態に変化したことを判断する必要がなく、第1の信号の変化に基づいて目標値を再設定してパルス周期調整を行っているため、制御回路11の演算負荷が小さい。コンピュータにこの光パルス列同期方法を実行させるためのプログラムも本発明の一側面を構成する。かかるプログラムは、例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体に格納されてもよい。   An optical pulse train synchronization method for synchronizing the first optical pulse train generated in the first period and the second optical pulse train generated in the second period, which is executed by the control circuit 11, also constitutes one aspect of the present invention. To do. The optical pulse train synchronization method includes a step of outputting a signal for adjusting at least one of the first period and the second period to the pulse period adjusting means so that the timing difference detection signal becomes a target value. The optical pulse train synchronization method is executed by a computer and includes a calculation step and an output step. In the calculation step, a target value is calculated from the first signal corresponding to at least one of the light intensity of the first optical pulse train 21 and the light intensity of the second optical pulse train 22. The second signal corresponds to the timing difference between the optical pulse included in the first optical pulse train 21 and the optical pulse included in the second optical pulse train 22. In the output step, a control signal for adjusting at least one of the first period and the second period is output to the pulse period adjusting means 12 so that the second signal becomes the target value. In this embodiment, it is not necessary to determine that the second signal shown in FIG. 2 has changed from the solid line state to the broken line state, and the target value is reset based on the change in the first signal to adjust the pulse period. Therefore, the calculation load of the control circuit 11 is small. A program for causing a computer to execute the optical pulse train synchronization method also constitutes one aspect of the present invention. Such a program may be stored, for example, on a non-transitory computer readable medium.

図4は、実施例2の同期装置のブロック図である。本実施例は、図2に示すビームスプリッタ4および光検出器6を利用せず、パルスレーザ2として、出力する光のパワーが安定したレーザを用いる。この場合、光パルス列22のパワーは一定であるので、図2に示すE1+E2に対応した2光子吸収信号a0・V1・V2において、a0・V2を定数b0とみなすことができる。同様に、E2+E2に対応した2光子吸収信号a2・V2・V2は定数b1とみなすことができる。つまり、実施例2において、光検出器10の出力電圧は、図5のように表される。   FIG. 4 is a block diagram of the synchronization device of the second embodiment. In this embodiment, the beam splitter 4 and the photodetector 6 shown in FIG. 2 are not used, and a laser with stable output light power is used as the pulse laser 2. In this case, since the power of the optical pulse train 22 is constant, a0 · V2 can be regarded as a constant b0 in the two-photon absorption signals a0 · V1 · V2 corresponding to E1 + E2 shown in FIG. Similarly, the two-photon absorption signal a 2 · V 2 · V 2 corresponding to E 2 + E 2 can be regarded as a constant b 1. That is, in Example 2, the output voltage of the photodetector 10 is expressed as shown in FIG.

比例係数b0、a1、b1は、オシロスコープやデータロガーなどを用いて取得した図5に対応するデータ、光パルス列21を遮光したときの光検出器5の出力電圧、および光パルス列22を遮光した時の光検出器5の出力電圧を基に算出することができる。比例係数b0、a1、b1は、記憶手段に記憶することができる。実施例2では、光検出器10の出力電圧の目標値VA、VBを数式(2)のように設定することによって実施例1と同様にパルス同期が実現できる。   The proportional coefficients b0, a1, and b1 are the data corresponding to FIG. 5 acquired using an oscilloscope or a data logger, the output voltage of the photodetector 5 when the optical pulse train 21 is shielded, and the light pulse train 22 when shielded. It can be calculated based on the output voltage of the photodetector 5. The proportional coefficients b0, a1, and b1 can be stored in the storage unit. In the second embodiment, pulse synchronization can be realized in the same manner as in the first embodiment by setting the target values VA and VB of the output voltage of the photodetector 10 as shown in Expression (2).

目標値=b0/2・V1+a1・V1・V1+b1 (2)
実施例1と同様にして、比例係数b0/2を比例係数b2(=b0・ε)とおいて数式(2)を変形すると以下のようになる。εは0〜1の範囲の値であり、1/2またはその近傍においてパルス同期が最も安定する。
Target value = b0 / 2 · V1 + a1 · V1 · V1 + b1 (2)
In the same manner as in the first embodiment, when the proportional coefficient b0 / 2 is set to the proportional coefficient b2 (= b0 · ε), the formula (2) is modified as follows. ε is a value in the range of 0 to 1, and the pulse synchronization is most stable at 1/2 or the vicinity thereof.

目標値=b2・V1+a1・V1・V1+b1 (2’)
実施例1及び2によれば、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22の間のタイミング差は一定に保たれる。実施例2は、光検出器10の受光素子がバンドギャップなどの特性からE2+E2の2光子吸収に感度を持たない、つまり、λ2の半分の波長に感度を持たない場合にも、パルス同期を安定化させる効果がある。この場合、E2+E2に対応した2光子吸収信号(a2・V2・V2)はゼロで一定となるため、E2+E2の2光子吸収信号の変化に対応するために光検出器6の出力電圧V2を利用する必要はない。つまり、光検出器6を省いてもパルス同期を安定に実施することができる。ただし、E1+E2に対応した2光子吸収信号(a0・V1・V2)の変化には対応できないので、第2の光パルス列22のパワー(V2)が変化した場合、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のパルスのタイミング差が変化する。
Target value = b2 · V1 + a1 · V1 · V1 + b1 (2 ′)
According to the first and second embodiments, the timing difference between the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 is kept constant. The second embodiment stabilizes pulse synchronization even when the light receiving element of the photodetector 10 has no sensitivity to two-photon absorption of E2 + E2 due to characteristics such as a band gap, that is, has no sensitivity at half the wavelength of λ2. There is an effect to make it. In this case, since the two-photon absorption signal (a2 · V2 · V2) corresponding to E2 + E2 is constant at zero, the output voltage V2 of the photodetector 6 is used to cope with the change in the two-photon absorption signal of E2 + E2. There is no need. That is, the pulse synchronization can be stably performed even if the photodetector 6 is omitted. However, since the two-photon absorption signal (a0 · V1 · V2) corresponding to E1 + E2 cannot be changed, if the power (V2) of the second optical pulse train 22 changes, the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 21 The pulse timing difference of the optical pulse train 22 changes.

特許文献2では、パルスのタイミング差として2光子吸収信号を検出するディテクタを2つ用いており、2つのディテクタの信号の差分を利用した制御により光パルス列を同期させている。2光子吸収信号は照射する光のパワー、パルス幅および(対物レンズとディテクタ受光面の)アライメントに依存し、特許文献2では2つのディテクタでこれらを煩雑にも一致させなければならない。   In Patent Document 2, two detectors that detect a two-photon absorption signal are used as the pulse timing difference, and the optical pulse train is synchronized by control using the difference between the signals of the two detectors. The two-photon absorption signal depends on the power of the irradiated light, the pulse width, and the alignment (of the objective lens and the detector light-receiving surface), and in Patent Document 2, these must be complicatedly matched by the two detectors.

実施例1、2は、アライメントに敏感な2光子吸収信号を検出する光検出器は1つの光検出器10だけの簡易な構成であり、光検出器5及び6(または光検出器5のみ)を利用することで光パワーが変化しても光パルス列を安定に同期させることができる。   In the first and second embodiments, the photodetector that detects a two-photon absorption signal that is sensitive to alignment is a simple configuration having only one photodetector 10, and photodetectors 5 and 6 (or only the photodetector 5). Can be used to stably synchronize the optical pulse train even if the optical power changes.

図6は、実施例3の顕微鏡システム(検出装置)のブロック図である。顕微鏡システムは、SRS顕微鏡100と、光パルス列同期装置200と、を有する。SRS顕微鏡100は、2つのパルスレーザ1、2から射出される異なる波長の2つの光パルス列を合波し、試料105に集光して同時に照射することによって発生する誘導ラマン散乱(SRS)光を検出する。即ち、SRS顕微鏡100は、2つのパルスレーザから射出される異なる波長の2つの光パルス列を試料に照射し、非線形光学過程を利用して試料を観察する非線形光学顕微鏡の一種である。同期装置200は、2つのパルスレーザ1、2から射出される光パルス列を同期させる。   FIG. 6 is a block diagram of a microscope system (detection apparatus) according to the third embodiment. The microscope system includes an SRS microscope 100 and an optical pulse train synchronization device 200. The SRS microscope 100 combines two optical pulse trains of different wavelengths emitted from two pulse lasers 1 and 2, collects the sample 105 and simultaneously irradiates stimulated Raman scattering (SRS) light generated by irradiating the sample 105. To detect. That is, the SRS microscope 100 is a type of nonlinear optical microscope that irradiates a sample with two optical pulse trains of different wavelengths emitted from two pulse lasers and observes the sample using a nonlinear optical process. The synchronization device 200 synchronizes the optical pulse trains emitted from the two pulse lasers 1 and 2.

SRSは、非線形光学現象の一つであり、それぞれの波長の光の強度の積に比例して発生する。効率よくSRSを発生させるために、2つの波長のレーザの光ビームを同一地点に集光し、かつ2つの波長の光パルス列が同時に集光するよう光パルス列を同期させる。SRSが発生すると、2つの波長の光パルス列のうち、波長が短い方の光パルス列の強度が弱まり、波長が長い方の光パルス列の強度が強まる。また、SRSを効率よく発生させるため、パルス時間幅が1〜10ピコ秒の短パルスレーザを利用するのが望ましい。   SRS is one of nonlinear optical phenomena and is generated in proportion to the product of the intensity of light of each wavelength. In order to efficiently generate SRS, the light beams of the lasers having two wavelengths are condensed at the same point, and the optical pulse trains are synchronized so that the optical pulse trains of the two wavelengths are simultaneously condensed. When SRS occurs, the intensity of the optical pulse train having the shorter wavelength of the two optical pulse trains becomes weaker, and the intensity of the optical pulse train having the longer wavelength becomes stronger. In order to efficiently generate SRS, it is desirable to use a short pulse laser having a pulse time width of 1 to 10 picoseconds.

パルスレーザ1および2として、パルス周期が2:1の光パルス列を利用する。図7(a)はパルスレーザ1が生成する第1の光パルス列21を表し、図7(b)はパルスレーザ2が生成する第2の光パルス列22を表す。図7(a)と図7(b)は、共に横軸が時間(t)を表し、縦軸は光強度を表している。第1の光パルス列21の波長(λ1)は、第2の光パルス列22の波長(λ2)より大きいとする。   As the pulse lasers 1 and 2, an optical pulse train having a pulse period of 2: 1 is used. FIG. 7A shows a first optical pulse train 21 generated by the pulse laser 1, and FIG. 7B shows a second optical pulse train 22 generated by the pulse laser 2. In both FIG. 7A and FIG. 7B, the horizontal axis represents time (t), and the vertical axis represents light intensity. It is assumed that the wavelength (λ1) of the first optical pulse train 21 is larger than the wavelength (λ2) of the second optical pulse train 22.

パルスレーザ1として中心波長1030ナノメートル、パルス周期25ナノ秒のイッテルビウムドープファイバレーザを利用する。パルスレーザ2としては、中心波長800ナノメートル、パルス周期12.5ナノ秒の固体レーザ(チタンサファイアレーザ)を利用する。例えば、Spectra−Physics社のMai Taiを利用する。   As the pulse laser 1, an ytterbium-doped fiber laser having a center wavelength of 1030 nanometers and a pulse period of 25 nanoseconds is used. As the pulse laser 2, a solid-state laser (titanium sapphire laser) having a center wavelength of 800 nanometers and a pulse period of 12.5 nanoseconds is used. For example, Specai-Physics Mai Tai is used.

第1の光パルス列21と第2の光パルス列22が、図7(a)および図7(b)に示すように、タイミングが一致し、かつ試料上の同一地点に集光されると、SRSによって試料を透過した光パルス列の光強度が変化する。図7(b)における光パルス41、43、45の強度は小さくなり、光パルス42と44の強度は変化しない。この隣接したパルスの強度の差は微小であるため、同期検波により検出する。   When the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 have the same timing and are collected at the same point on the sample, as shown in FIGS. 7A and 7B, the SRS As a result, the light intensity of the optical pulse train transmitted through the sample changes. The intensity of the light pulses 41, 43, and 45 in FIG. 7B decreases, and the intensity of the light pulses 42 and 44 does not change. Since the difference in the intensity of the adjacent pulses is very small, it is detected by synchronous detection.

検出した強度の差がSRS信号に対応し、光ビームを集光させた地点に含まれる分子の情報が反映される。例えば、前記地点に含まれる分子振動の共振周波数と2つのレーザの光周波数の差(c/λ2−c/λ1)が一致したとき、SRS信号が大きくなる。cは光速である。2つのレーザの光周波数の差(c/λ2−c/λ1)を変化させながら、SRS信号を取得することでラマンスペクトルを取得できる。ラマンスペクトルを得るためは2つのレーザの少なくとも一方の波長を変化させる。ラマンスペクトルから試料にどのような分子が含まれるか推定できる。SRS顕微鏡は自発ラマン散乱を利用した顕微鏡と同等のスペクトルを取得することができる。SRSの散乱効率は自発ラマン散乱の散乱効率より非常に大きいため、SRS顕微鏡は自発ラマン散乱を利用した顕微鏡より短い時間でラマンスペクトルを取得することができる。   The detected intensity difference corresponds to the SRS signal, and the information on the molecules contained in the spot where the light beam is focused is reflected. For example, when the difference (c / λ2−c / λ1) between the resonance frequency of the molecular vibration contained in the point and the optical frequency of the two lasers coincides, the SRS signal becomes large. c is the speed of light. A Raman spectrum can be acquired by acquiring the SRS signal while changing the difference (c / λ2-c / λ1) between the optical frequencies of the two lasers. In order to obtain a Raman spectrum, the wavelength of at least one of the two lasers is changed. It can be estimated from the Raman spectrum what kind of molecules are contained in the sample. The SRS microscope can acquire a spectrum equivalent to a microscope using spontaneous Raman scattering. Since the scattering efficiency of SRS is much higher than that of spontaneous Raman scattering, the SRS microscope can acquire a Raman spectrum in a shorter time than a microscope using spontaneous Raman scattering.

パルスレーザ1及び2から照射される光ビームは、同期装置200へ入射し、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22がSRS顕微鏡で観察する試料において、そのタイミングが一致するように同期される。ダイクロイックミラー7により同軸に合波された光パルス列21と光パルス列22は、ビームスプリッタ8を透過して、SRS顕微鏡100へ入射する。   The light beams emitted from the pulse lasers 1 and 2 enter the synchronization device 200, and the first optical pulse train 21 and the second optical pulse train 22 are synchronized so that their timings coincide with each other in the sample observed with the SRS microscope. Is done. The optical pulse train 21 and the optical pulse train 22 that are coaxially combined by the dichroic mirror 7 pass through the beam splitter 8 and enter the SRS microscope 100.

SRS顕微鏡100はレーザ走査顕微鏡の構成をしている。2つのパルスレーザの光ビームは、同軸でビームスキャナ101に入射し、ビームスキャナ101により偏向して出射する。ビームスキャナ101はガルバノスキャナとレゾナントスキャナで構成され、直交する2方向に光軸の向きを変える。図の簡略化のため、ビームスキャナ101内の2つのミラーは図6において1つのミラーで代表して表示している。レゾナントスキャナ(スキャン周波数8kHz)とガルバノスキャナ(スキャン周波数15Hz)を利用すれば、500ラインの画像を毎秒30フレーム取得することができる。   The SRS microscope 100 is configured as a laser scanning microscope. The light beams of the two pulse lasers are coaxially incident on the beam scanner 101, deflected by the beam scanner 101, and emitted. The beam scanner 101 includes a galvano scanner and a resonant scanner, and changes the direction of the optical axis in two orthogonal directions. For simplification of the drawing, the two mirrors in the beam scanner 101 are represented by one mirror in FIG. If a resonant scanner (scan frequency 8 kHz) and a galvano scanner (scan frequency 15 Hz) are used, an image of 500 lines can be acquired at 30 frames per second.

ビームスキャナ101で偏向された光ビームは、レンズ102、103を通して対物レンズ104に入射する。ビームスキャナ101と対物レンズ104の入射瞳が共役となるようにレンズ102、103を配置することで、ビームスキャナ101で光ビームが偏向しても、遮光により光量が変化することなく試料105に集光する。レンズ102、103による光学系の倍率は、対物レンズ104の入射瞳サイズと入射する光ビームサイズが同等になるように選択する。そうすれば、対物レンズ104により集光する光スポットサイズを最小化させ、SRS信号を検出する空間分解能を向上させることができる。また、光スポットの強度が高まることでSRS信号が大きくなるので、SRS信号を検出するSN比も向上する。対物レンズ104は、SRS信号を検出する空間分解能と信号対雑音比の観点から、大きい開口数(NA)が望ましい。   The light beam deflected by the beam scanner 101 enters the objective lens 104 through the lenses 102 and 103. By arranging the lenses 102 and 103 so that the entrance pupils of the beam scanner 101 and the objective lens 104 are conjugate, even if the light beam is deflected by the beam scanner 101, the amount of light is collected on the sample 105 without being changed by light shielding. Shine. The magnification of the optical system using the lenses 102 and 103 is selected so that the entrance pupil size of the objective lens 104 is equal to the incident light beam size. Then, the light spot size condensed by the objective lens 104 can be minimized, and the spatial resolution for detecting the SRS signal can be improved. Further, since the SRS signal is increased by increasing the intensity of the light spot, the SN ratio for detecting the SRS signal is also improved. The objective lens 104 preferably has a large numerical aperture (NA) from the viewpoint of the spatial resolution for detecting the SRS signal and the signal-to-noise ratio.

試料105は、図示していないカバーガラスやスライドガラスにより挟まれている。ビームスキャナ101による光ビームの偏向により、試料105に集光した光スポットは2次元走査され、SRS信号が2次元画像化される。SRS信号は、集光した光スポットでのみ生じるため、図示していないステージにより試料105を光軸方向に移動させることで3次元画像を得ることもできる。   The sample 105 is sandwiched between a cover glass and a slide glass (not shown). The light spot focused on the sample 105 is two-dimensionally scanned by the deflection of the light beam by the beam scanner 101, and the SRS signal is converted into a two-dimensional image. Since the SRS signal is generated only at the condensed light spot, a three-dimensional image can be obtained by moving the sample 105 in the optical axis direction by a stage not shown.

対物レンズ106は、試料105を透過しSRSによって強度変調をうけた光をもれなく受け取るべく、対物レンズ104のNAと同等以上のNAを有する。対物レンズ106を出射した光ビームはフィルタ107、レンズ108を透過した後、フォトダイオード109の受光面に照射される。フィルタ107は、誘電体多層膜で構成され、波長λ1の光を遮断させ、波長λ2の光を透過させる。フォトダイオード109には、パルスレーザ2から出射し、SRSによる強度変調を1パルス毎に繰り返す光パルスが照射され、フォトダイオード109は、これを検出する。フォトダイオード109は、800ナノメータの光に感度をもつシリコンフォトダイオードで遮断周波数が40MHz以上であるものを利用する。   The objective lens 106 has an NA that is equal to or greater than the NA of the objective lens 104 so as to receive all the light transmitted through the sample 105 and subjected to intensity modulation by the SRS. The light beam emitted from the objective lens 106 passes through the filter 107 and the lens 108 and is then irradiated on the light receiving surface of the photodiode 109. The filter 107 is composed of a dielectric multilayer film, blocks light of wavelength λ1, and transmits light of wavelength λ2. The photodiode 109 is irradiated with a light pulse that is emitted from the pulse laser 2 and repeats the intensity modulation by SRS for each pulse, and the photodiode 109 detects this. As the photodiode 109, a silicon photodiode having sensitivity to light of 800 nanometers having a cutoff frequency of 40 MHz or more is used.

パルスレーザ2の光パルス列22の繰り返し周波数80MHz(パルス周期12.5ナノ秒)に対して、SRSによる強度変調は40MHz(周期25ナノ秒)である。電流電圧変換回路110は、フォトダイオード109で発生した電流信号を電圧として出力するための電気回路である。   For the repetition frequency 80 MHz (pulse period 12.5 nanoseconds) of the optical pulse train 22 of the pulse laser 2, the intensity modulation by SRS is 40 MHz (period 25 nanoseconds). The current-voltage conversion circuit 110 is an electric circuit for outputting a current signal generated by the photodiode 109 as a voltage.

同期検波回路111は、電流電圧変換回路110が出力する電圧信号から40MHz成分の振幅を抽出し電圧として出力するもので、ミキサ回路またはロックインアンプを利用する。同期検波回路111の出力電圧は、試料105における集光点でSRSがどの程度起きたかを示す。   The synchronous detection circuit 111 extracts the amplitude of a 40 MHz component from the voltage signal output from the current-voltage conversion circuit 110 and outputs it as a voltage, and uses a mixer circuit or a lock-in amplifier. The output voltage of the synchronous detection circuit 111 indicates how much SRS has occurred at the focal point of the sample 105.

コンピュータ112は、ビームスキャナ101の制御信号を利用し、同期検波回路111の出力信号(SRS信号)を2次元画像化し、表示する。コンピュータ112は、図示しないステージで試料105を光軸方向に移動させて取得したSRS信号を、3次元画像表示することもできる。また、コンピュータ112は、2つのパルスレーザの少なくとも一方の波長を変化させて取得したSRS信号からラマンスペクトルを表示することもできる。   The computer 112 uses the control signal of the beam scanner 101 to convert the output signal (SRS signal) of the synchronous detection circuit 111 into a two-dimensional image and display it. The computer 112 can also display a three-dimensional image of the SRS signal acquired by moving the sample 105 in the optical axis direction on a stage (not shown). The computer 112 can also display a Raman spectrum from the SRS signal acquired by changing the wavelength of at least one of the two pulse lasers.

本発明は、第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列と、第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列とを同期させる用途に適用することができる。   The present invention may be applied to an application in which a first optical pulse train including an optical pulse generated in a first cycle and a second optical pulse train including an optical pulse generated in a second cycle are synchronized. it can.

5、6…光検出器(第1の検出手段)、10…光検出器(第2の検出手段)、11…制御回路(制御手段)、21…第1の光パルス列、22…第2の光パルス列、200…光パルス列同期装置、VA、VB…目標値 5, 6... Photodetector (first detection means), 10... Photodetector (second detection means), 11... Control circuit (control means), 21... First optical pulse train, 22. Optical pulse train, 200 ... Optical pulse train synchronizer, VA, VB ... Target value

Claims (15)

第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列と第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列とを同期させる光パルス列同期装置であって、
前記第1の光パルス列の光強度及び前記第2の光パルス列の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号を出力する第1の検出手段と、
前記第1の光パルス列に含まれる光パルス及び前記第2の光パルス列に含まれる光パルスが到達するタイミング差に対応する第2の信号を出力する第2の検出手段と、
前記第2の信号が前記第1の信号から得られる目標値になるように、前記第1の周期及び前記第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号を出力する制御手段と、
を有することを特徴とする光パルス列同期装置。
An optical pulse train synchronizer that synchronizes a first optical pulse train including an optical pulse generated in a first cycle and a second optical pulse train including an optical pulse generated in a second cycle,
First detection means for outputting a first signal corresponding to at least one of the light intensity of the first optical pulse train and the light intensity of the second optical pulse train;
Second detection means for outputting a second signal corresponding to a timing difference between arrival of an optical pulse included in the first optical pulse train and an optical pulse included in the second optical pulse train;
Control means for outputting a control signal for adjusting at least one of the first period and the second period so that the second signal becomes a target value obtained from the first signal;
An optical pulse train synchronizer comprising:
前記第1の光パルス列の光強度に対応する前記第1の信号の出力電圧をV1、前記第2の光パルス列の光強度に対応する前記第1の信号の出力電圧をV2、比例係数をa1、a2、a3とすると、前記第1の信号から得られる前記目標値は、a3・V1・V2+a1・V1・V1+a2・V2・V2で表されることを特徴とする請求項1に記載の光パルス列同期装置。   The output voltage of the first signal corresponding to the light intensity of the first optical pulse train is V1, the output voltage of the first signal corresponding to the light intensity of the second optical pulse train is V2, and the proportionality coefficient is a1. , A2, and a3, the target value obtained from the first signal is represented by a3 · V1 · V2 + a1 · V1 · V1 + a2 · V2 · V2. Synchronizer. 比例係数a3は、比例係数a0とεを用いてa0・εで表され、εは0〜1の範囲の値であることを特徴とする請求項2に記載の光パルス列同期装置。   3. The optical pulse train synchronizer according to claim 2, wherein the proportional coefficient a3 is represented by a0 · ε using the proportional coefficients a0 and ε, and ε is a value in a range of 0 to 1. εは1/2であることを特徴とする請求項3に記載の光パルス列同期装置。 4. The optical pulse train synchronizer according to claim 3, wherein ε is ½. 前記第2の光パルス列の光強度は一定であり、
前記第1の光パルス列の光強度に対応する前記第1の信号の出力電圧をV1、前記第2の光パルス列の光強度に対応する前記第1の信号の出力電圧をV2、比例係数をa1、b1、b2とすると、前記第1の信号から得られる前記目標値は、b2・V1+a1・V1・V1+b1で表されることを特徴とする請求項1に記載の光パルス列同期装置。
The light intensity of the second optical pulse train is constant;
The output voltage of the first signal corresponding to the light intensity of the first optical pulse train is V1, the output voltage of the first signal corresponding to the light intensity of the second optical pulse train is V2, and the proportionality coefficient is a1. , B1 and b2, the target value obtained from the first signal is represented by b2 · V1 + a1 · V1 · V1 + b1. 2. The optical pulse train synchronizer according to claim 1, wherein
比例係数b2は、比例係数b0とεを用いてb0・εで表され、εは0〜1の範囲の値であることを特徴とする請求項5に記載の光パルス列同期装置。   6. The optical pulse train synchronizer according to claim 5, wherein the proportional coefficient b2 is expressed by b0 · ε using the proportional coefficients b0 and ε, and ε is a value in the range of 0-1. εは1/2であることを特徴とする請求項6に記載の光パルス列同期装置。 The optical pulse train synchronizer according to claim 6, wherein ε is ½. 前記制御手段は、前記第1のパルス列を生成する第1の光源手段及び前記第2のパルス列を生成する第2の光源手段の少なくとも一方に、前記制御信号を入力することを特徴とする請求項1乃至7のうちいずれか1項に記載の光パルス列同期装置。   The control means inputs the control signal to at least one of a first light source means for generating the first pulse train and a second light source means for generating the second pulse train. 8. The optical pulse train synchronizer according to any one of 1 to 7. 前記第2の検出手段は、2光子吸収により発生した電流を電圧に変換するフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の光パルス列同期装置。   9. The optical pulse train synchronizer according to claim 1, wherein the second detection unit includes a photodiode that converts a current generated by two-photon absorption into a voltage. 10. 前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列を前記フォトダイオードの受光面に集光する対物レンズを更に有することを特徴とする請求項9に記載の光パルス列同期装置。   The optical pulse train synchronizer according to claim 9, further comprising an objective lens for condensing the first optical pulse train and the second optical pulse train on a light receiving surface of the photodiode. 請求項1乃至10のうちいずれか1項に記載の光パルス列同期装置と、前記第1のパルス列を生成する第1の光源手段と、前記第2のパルス列を生成する第2の光源手段と、を備えることを特徴とする照明装置。   The optical pulse train synchronizer according to any one of claims 1 to 10, a first light source means for generating the first pulse train, a second light source means for generating the second pulse train, A lighting device comprising: 請求項11に記載の照明装置と、前記第1及び第2の光パルス列が試料に照射されることにより強度変調された光を検出する受光手段と、を有することを特徴とする検出装置。   12. A detection apparatus comprising: the illumination apparatus according to claim 11; and light receiving means for detecting light whose intensity is modulated by irradiating the sample with the first and second optical pulse trains. 前記受光手段は、前記第1及び第2の光パルス列が試料に照射されることにより生じる誘導ラマン散乱により強度変調された光を検出することを特徴とする請求項12に記載の検出装置。   13. The detection apparatus according to claim 12, wherein the light receiving unit detects light whose intensity is modulated by stimulated Raman scattering generated by irradiating the sample with the first and second optical pulse trains. 第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列と第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列とを同期させる光パルス列同期方法であって、
前記第1の光パルス列の光強度及び前記第2の光パルス列の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号から目標値を算出する算出ステップと、
前記第1の光パルス列に含まれる光パルスと前記第2の光パルス列に含まれる光パルスが到達するタイミング差に対応する第2の信号が、前記算出ステップで算出された前記目標値になるように、前記第1の周期と前記第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号を出力する出力ステップと、
を有することを特徴とする光パルス列同期方法。
An optical pulse train synchronization method for synchronizing a first optical pulse train including an optical pulse generated in a first cycle and a second optical pulse train including an optical pulse generated in a second cycle,
A calculation step of calculating a target value from a first signal corresponding to at least one of the light intensity of the first optical pulse train and the light intensity of the second optical pulse train;
The second signal corresponding to the timing difference between the arrival of the optical pulse included in the first optical pulse train and the optical pulse included in the second optical pulse train is the target value calculated in the calculation step. An output step for outputting a control signal for adjusting at least one of the first period and the second period;
An optical pulse train synchronization method comprising:
コンピュータに請求項14に記載の光パルス列同期方法を実行させるためのプログラム。   A program for causing a computer to execute the optical pulse train synchronization method according to claim 14.
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