JP2017108017A

JP2017108017A - レーザ装置、及びこれを用いた計測装置

Info

Publication number: JP2017108017A
Application number: JP2015241387A
Authority: JP
Inventors: 勇輝米谷; Yuki Yoneya
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-15

Abstract

【課題】装置の大型化を低減しつつ、広帯域な光を出力可能なレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ装置は、第１の光パルスを生成する第１の光生成部２５０と、第２の光パルスを生成する第２の光生成部２６０と、を有し、第２の光生成部は、第２の光パルスの波長を変更する波長変更手段２１２を有し、第１の光生成部と第２の生成部とは、可飽和吸収体２０７を共有している。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置、及びこれを用いた計測装置に関する。

コヒーレントラマン散乱（ＣｏｈｅｒｅｎｔＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＣＲＳを利用すると生体内分子の３次元分布や体内組成を観察することが可能である。ＣＲＳの中でも特に誘導ラマン散乱（ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）を利用するとスペクトル歪みなく、定量的な観察が可能である。

このようなＳＲＳを利用した計測装置では、互いに波長が異なる２つの光パルス（２波長光パルス）を試料に同時に照射してＳＲＳを誘起する。２波長光パルスの光周波数の差が試料の分子振動数と一致すると、それら光パルスの集光点にて誘導ラマン散乱が生じる。また、２波長光パルスの光周波数を変化させることによって、光周波数に対するＳＲＳ信号の依存性（ラマンスペクトル）の検出が可能であり、試料の組織構造や組成の特定が可能である。そのため、様々な分子や組織を観察するためには、観察対象の分子振動数と２波長光パルスの光周波数の差が一致するように光源の光周波数（波長）を選択する必要がある。

ラマンスペクトルは物質同定に用いられる指紋領域と呼ばれる低い波数域から脂質を含む生体観察に有用な高い波数域（ＣＨ伸縮振動）に渡って計測ニーズがあり、５００〜３５００ｃｍ^−１程度の広範囲での計測が望まれる。広帯域観察可能なＳＲＳ計測装置の例として、特許文献１、非特許文献１に開示された装置が提案されている。

特許文献１には、繰り返し周波数が２：１であるチタンサファイアレーザとＹｂファイバレーザを同期させて、試料へ同時に集光することでＳＲＳ観察が可能な構成が記載されている。特許文献１の構成では、広帯域なＹｂファイバレーザと可変波長選択フィルタを用いることによって、広範囲のラマンスペクトル取得を行うことができる。

非特許文献１には、１台のファイバレーザを分岐し、一方の光パルスの波長を、高非線形ファイバを用いて波長幅を拡大し、Ｙｂファイバ光増幅器を用いて一部の光を増幅することが記載されている。これにより、ＣＨ伸縮振動領域の広範囲においてラマン分光観察を可能となる。非特許文献１では、１台の光源から２つの光パルスを生成するため、パルスを同期させる制御機構が不要となる。また、元の光源の光を十分に光増幅した後に高非線形ファイバによってＹｂファイバ光増幅器で増幅可能な帯域まで波長を拡大し、その後可変波長選択フィルタを用いている。

パルス同期が必要ではない他の光源の例として、非特許文献２には、可飽和吸収素子を共有することで２つの光生成部の共振を同期し、同期した２波長の光パルスを出力する光源が記載されている。

特願２０１１−５１８４６７

ＮａｔｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．８，ｐ．１５３−１５９，２０１４．ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．３６，Ｉｓｓｕｅ２０，ｐｐ．３９８４−３９８６，２０１１

特許文献１に記載の計測装置では、２台のレーザを用いるため、それぞれの出力光パルスを高精度に同期させる制御機構が必要となることから、装置が大型化、複雑化する。また、計測再現性や稼働安定性が低い恐れがある。

非特許文献１に記載の計測装置では広帯域光生成のためにパルス圧縮機構、高非線形ファイバ、多段の高出力光増幅器等が必要であることから、装置が大型化、複雑化する恐れがある。

また、非特許文献２に記載の光源では波長が固定されているため、ラマン散乱計測装置の光源として用いても一つの波数における計測しかできない。広帯域での観察には非特許文献１のように共振器外で広帯域化させる機構等が必要であることから、同様に装置が大型化、複雑化する恐れがある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、装置の大型化を低減しつつ、広帯域な光を出力するレーザ装置、及びこれを用いた計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのレーザ装置は、第１の光パルスと第２の光パルスとを出力するレーザ装置であって、前記第１の光パルスを生成する第１の光生成部と、前記第２の光パルスを生成する第２の光生成部と、を有し、前記第２の光生成部は、前記第２の光パルスの波長を変更する波長変更手段を有し、前記第１の光生成部と前記第２の生成部とは、可飽和吸収体を共有していることを特徴とする。

本発明の一側面としてのレーザ装置によれば、装置の大型化を低減しつつ、広帯域な光を出力することができる。

第１の実施形態におけるレーザ装置の構成を示すブロック図。第１の実施形態における計測装置の構成を示すブロック図。第１の実施形態における波長変更手段の構成を示すブロック図。第２の実施形態における波長変更手段の構成を示すブロック図。第３の実施形態における計測装置の構成を示すブロック図。第３の実施形態におけるレーザ装置の構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以降の実施形態は本発明を実施する形態の一例であり、これに限定するものではない。

（第１の実施形態）
本実施形態の計測装置１００について、図２を参照して説明する。図２は、計測装置１００の構成を説明するブロック図である。本実施形態の計測装置１００は、誘導ラマン散乱（ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）を用いて試料を計測する誘導ラマン散乱計測装置である。誘導ラマン散乱計測装置は、顕微鏡として用いることができる。

ＳＲＳを利用した計測装置では、互いに波長が異なる２つの光パルス（２波長光パルス）を試料に同時に照射してＳＲＳを誘起する。２波長光パルスの光周波数の差が試料の分子振動数と一致すると、それら光パルスの集光点にて誘導ラマン散乱が生じる。そして、試料を透過した２波長光パルスのうち、光周波数が高い、すなわち波長が短い光パルスの強度が減少し（誘導ラマンロス）、光周波数が低い、すなわち波長が長い光パルスの強度が増大する（誘導ラマンゲイン）。

この誘導ラマンロスまたは誘導ラマンゲイン（以下、ともにＳＲＳ信号という場合がある）を検出することによって、試料の分子の振動情報を反映した分子振動イメージングを行うことができる。また、２波長光パルスの光周波数を変化させることによって、光周波数に対するＳＲＳ信号の依存性（ラマンスペクトル）の検出が可能であり、試料の組織構造や組成の特定が可能である。なお、本明細書において、光パルスとは、幅のある周波数帯域の光を含み、「光パルスの波長」とは、光パルスに含まれている幅のある周波数帯域の光の中心波長又はピーク波長等を指す。

計測装置１００は、レーザ装置（ファイバレーザ）１０１、ミラー１０２、１０６、光路長変更手段１０３、ダイクロイックミラー１０４、走査手段１０５、第１の対物光学系１０７、ステージ１０９、及び第２の対物光学系１１０を有する。また、計測装置１００は、フィルタ１１１、検出手段１１２、ロックインアンプ１１３及び処理装置１１４、を更に有する。なお、図２において、各構成部品を結ぶ太い直線および矢印付き直線はそれぞれ、光路および電気配線を表す。

ファイバレーザ１０１は、同期した２つの光パルスを出力するパルス光源で、同期した２つの光パルスを発振可能なレーザ装置である。図１を参照して、ファイバレーザ１０１の構成について説明する。図１は、ファイバレーザ１０１の構成を説明する図である。ファイバレーザ１０１は、第１の光生成部２５０と、第２の光生成部２６０と、Ｅｒファイバ光増幅器２０９と、波長変換素子２１１と、Ｙｂファイバ光増幅器２１９と、ファイバコリメータ２１０、２２０とを有する。なお、図１の×印はゲインファイバとそれ以外のファイバ部の区別を明示するために記載している。

第１の光生成部２５０は、第１の光パルスを生成する。第１の光生成部２５０は、第１の励起光源２０１、波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ）ファイバカプラ２０２、Ｅｒファイバ２０３、及びファイバアイソレータ２０４を有する。また、第１の光生成部２５０は、ＷＤＭファイバカプラ２０５、２０６、可飽和吸収体（可飽和吸収素子）２０７、及びファイバカプラ２０８を有する。第１の光生成部２５０は、光が共振する第１の共振器（第１の共振部）である。

第２の光生成部２６０は、第１の光パルスを生成する。第２の光生成部２６０は、ＷＤＭファイバカプラ２０５、２０６と、可飽和吸収素子２０７とを有する。さらに、第２の光生成部２６０は、可変波長選択素子２１２、第２の励起光源２１３、ＷＤＭファイバカプラ２１４、Ｙｂファイバ２１５、分散補償素子２１６、共振器長変更手段（長さ変更手段）２１７、及びファイバカプラ２１８を有する。第２の光生成部２６０は、光が共振する第２の共振器（第２の共振部）である。

第１の光生成部２５０と第２の光生成部２６０とは、ＷＤＭファイバカプラ２０５、２０６を介して可飽和吸収素子２０７を共有している。

可飽和吸収素子２０７は、入射光束密度が高いほど透過率が上がる可飽和吸収体であり、一般的にレーザ共振器中では、連続光を光パルスにする（パルス化する）パルス化素子として機能する。第１の励起光源２０１から出力された連続光及び第２の励起光源２１３から出力された連続光のそれぞれは、可飽和吸収素子２０７によってパルス化される。その際、それぞれのパルスタイミングが一致した場合に最も光束密度が高くなり、可飽和吸収が生じやすくなるため、光パルスが同期した状態での発振に寄与する。

また、２つの光パルスが互いに位相を変調する相互位相変調という非線形効果によってお互いを引き込むような影響を与える。そのため、結果的にファイバレーザ１０１の発振は第１の光生成部２５０の共振器長と第２の光生成部２６０の共振器長とが略一致している場合に出力パルスが同期する。ただし、第１の光生成部２５０の共振器長と第２の光生成部２６０の共振器長とが一致していなくても、一方の共振器長が他方の共振器長の整数倍となる場合にも多数の光パルスのパルスタイミングが一致するため、出力パルスが同期しうる。

なお、第１の光生成部２５０の共振器長（第１の共振器の共振器長）は、第１の光生成部２５０においてＥｒファイバ２０３から射出した光がリング型の第１の共振器を伝播し、再びＥｒファイバ２０３の出射点に至るまでの１周の光路長である。第２の光生成部２６０の共振器長（第２の共振器の共振器長）は、第１の光生成部２５０の共振器長と同様に、第２の光生成部２６０のＹｂファイバ２１５から射出した光が１周する際の光路長である。

本実施形態では、第２の光生成部２６０の共振器長が、第１の光生成部２５０の共振器長の２倍となるように構成している。このような構成にすると、第１の光生成部２５０からの第１の光パルスのパルス列の繰り返し周波数が、第２の光生成部２６０からの第２の光パルスのパルス列の繰り返し周波数の２倍となる。その結果、ロックイン検出を高速化して誘導ラマン散乱の検出感度を向上することができる。

なお、２つの光パルスの繰り返し周波数は同じでもよい。しかし、ロックイン検出を高速化して誘導ラマン散乱の検出感度を向上するために、検出する光パルスのパルス列の繰り返し周波数が、検出しない光パルスのパルス列の繰り返し周波数の整数倍とすることがより好ましい。すなわち、検出する光パルスを生成する光生成部（本実施形態では第１の光生成部２５０）の共振器長を、検出しない光パルスを生成する光生成部（本実施形態では第２の光生成部２６０）の共振器長の１／ｎ倍（ｎは１以上の整数）にすることが好ましい。より好ましくは、検出する光パルスを生成する光生成部（本実施形態では第１の光生成部２５０）の共振器長を、検出しない光パルスを生成する光生成部（本実施形態では第２の光生成部２６０）の共振器長の１／ｍ倍（ｍは２以上の整数）にする。

以下、ファイバレーザの構成について、より詳細に説明する。第１の光源２０１は、励起用の半導体レーザであり、ＷＤＭファイバカプラ２０２を介して第１の光生成部２５０のゲインファイバであるＥｒファイバ２０３を励起する。効率的な励起のためには、第１の励起光源２０１が出力する光の波長は９８０ｎｍ付近が適している。不図示であるが、第１の光源２０１を含む各実施形態における励起用の半導体レーザはＬＤドライバを備えており、半導体レーザを一定温度に保持しながら設定した印加電流値に基づいて励起光を出力する。

Ｅｒファイバ２０３は１５６０ｎｍ帯の自然放出光を発するとともに、周回した同光を増幅する。ファイバアイソレータ２０４は光の進行方向を一方に制限する。ＷＤＭファイバカプラ２０５、２０６は第１の光生成部２５０内の光路と第２の光生成部２６０内の光路とを一部共通化する。

可飽和吸収素子２０７は、Ｅｒファイバ２０３から放出される連続光をパルス化する。可飽和吸収素子２０７には、半導体可飽和吸収素子、カーボンナノチューブ、グラフェン等を用いる。本実施形態では、ファイバレーザ１０１は波長の異なる２つの光を発振する２つの光生成部を有するため、可飽和吸収素子には広帯域性が求められる。したがって、特に２つの光の波長差が大きい場合は、比較的帯域の広いカーボンナノチューブやさらに広帯域なグラフェンを用いる。カーボンナノチューブやグラフェンを用いる場合は、例えばそれらを分散させた溶媒をファイバコネクタ間に挿入する、ファイバコネクタ端面に成膜する、ファイバクラッド部に分散させる等、公知の技術を用いればよい。

ファイバカプラ２０８は、第１の光生成部２５０内の一部の光を第１の光生成部２５０外へ出力する。Ｅｒファイバ光増幅器２０９は、第１の光生成部２５０から出力された光のパワーを増幅する。ファイバコリメータ２１０は、ファイバ伝播光を空間へ出力する。

波長変換素子２１１は、第１の光生成部２５０から出力された光の波長を異なる波長に変換（波長変換）する変換手段である。波長変換素子２１１を用いることにより、生体透過性の高い生体の窓と呼ばれる約７００〜１０００ｎｍの帯域に照射光の波長を変換することができる。波長変換素子２１１に、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３結晶（ＰｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙＰｏｌｅｄＬｉｔｈｉｕｍＮｉｏｂａｔｅ：ＰＰＬＮ）を用いることで７８０ｎｍ帯の第２高調波を出力する。波長変換素子２１１としては空間型ＰＰＬＮの他にファイバカップリング型のＰＰＬＮを用いれば安定性がさらに向上する。なお試料１０８によっては、波長変換素子２１１は必ずしも必要ではない。

波長変更手段２１２は、第２の光生成部２６０で発振させる波長を変更する素子で、第２の光生成部２６０で発振させる波長を選択する（フィルタリングする）可変波長選択フィルタで、フィルタリングする波長を変更できる。波長変更手段２１２としては、例えば、図３に示したようなフィルタを用いればよい。図３は、波長変更手段２１２の構成の一例を説明する模式図である。

波長変更手段２１２は、ファイバサーキュレータ３０１、ファイバコリメータ３０２、可動ミラー３０３、及び回折格子３０４を有する。なお、図３の曲線矢印はファイバサーキュレータ３０１の透過方向を示す。ファイバサーキュレータ３０１へ入射した光はファイバコリメータ３０２で空間に出力される。可動ミラー３０３は回折格子３０４への入射角度を自由に変更でき、回折格子３０４からの回折光は可動ミラー３０３の角度に応じて異なる波長成分がファイバコリメータ３０２へカップリングされる。カップリングされた光は再びファイバサーキュレータ３０１へ入射され、入射時とは別のポートへ出力される。

したがって、波長変更手段２１２として上述のような構成を用いると、可動ミラー３０３の角度を変更することにより、フィルタリングする波長を任意に変更することができる。可動ミラー３０３としてガルバノミラーを用いることで高速に波長を変更、掃引することができる。可動ミラー３０３はコンピュータ１１４から制御する。

なお、ファイバサーキュレータ３０１はアイソレータの機能を有しているため、以降の第２の光生成部２６０にアイソレータを挿入しなくてもよい。

波長変更手段２１２としては、他に回折格子とスリットの組み合わせ、音響光学可変波長選択フィルタ、導波路型回折格子、ＦＢＧ等、一般的に可変波長フィルタとして用いられているものを用いてもよい。その際、第２の光生成部２６０の周回方向を限定する素子がない場合は、第２の光生成部２６０のどこかにアイソレータを配置する。波長変更手段２１２によって選択する波長幅は、ラマンスペクトルの分解能とＳＲＳ信号の検出感度を両立させるパルス幅が１〜１０ｐｓであるため、そのフーリエ変換限界パルス幅に近い、およそ０．１〜１ｎｍ程度とするとよい。

第２の光源２１３は、連続光を出力する励起用の半導体レーザで、ＷＤＭファイバカプラ２１４を介して第２の光生成部のゲインファイバであるＹｂファイバ２１５を励起する。効率的な励起のためには、第２の光源２１３の波長は、９７６ｎｍ付近が適している。Ｙｂファイバ２１５は、波長１０３０ｎｍ帯の自然放出光を発するとともに、周回した同光を増幅する。

分散補償素子２１６は、ファイバ伝播による分散を補償し、パルス化を促す。分散補償素子２１６には、回折格子対やチャープトＦＢＧを用いる。可飽和吸収素子２０７のみでパルス化する場合や出力パルスのスペクトル幅の広がりが問題にならない等の場合は、分散補償素子２１６をなくしてもよい。

共振器長変更手段（長さ変更手段）２１７は、第２の光生成部２６０の共振器長を変更する。これにより、共振器長変更手段２１７は、第１の光生成部２５０の共振器長と第２の光生成部２６０の共振器長との差を容易に小さくすることができる。より具体的には、共振器長変更手段２１７は、第１の光生成部２５０を伝播する光の光路長と第２の光生成部２６０を伝播する光の光路長との差が０に近づくように、第２の光生成部２６０の共振器長を調整する。共振器長変更手段２１７には、手動または自動ステージとミラーの組み合わせ、ファイバディレイラインやその他、市販のディレイライン等を用いる。波長変更手段２１２のフィルタリングにおいて、共振器長が非線形効果による引き込み効果の範囲を超える場合は、波長可変操作と同期して共振器長変更手段２１７で共振器長を適宜変更する。

このように、第１の光生成部２５０及び第２の光生成部２６０の少なくとも一方の共振器長を変更可能な構成となっている。第２の光生成部２６０の発振波長が変更されることにより、第２の光生成部２６０で生成される光の波長における光路長が変化し、それにより共振器長が変化する影響を低減する。そのため、第１の光生成部２５０の共振器長と第２の光生成部２６０の共振器長との差が大きくなる恐れがある。そのため、第１の光生成部２５０及び第２の光生成部２６０の少なくとも一方の共振器長を変更することにより、その差を低減し、より広帯域において第１の光生成部２５０からの光と第２の光生成部２６０からの光とを同期させることができる。共振器長変更手段２１７は、コンピュータ１１４によって制御される。

ファイバカプラ２１８は、第２の光生成部２６０内の一部の光を第２の光生成部２６０外へ出力する。Ｙｂファイバ光増幅器２１９は、第２の光生成部２６０から出力された光のパワーを増幅する。ファイバコリメータ２２０は、ファイバ伝播光を空間へ出力する。

以上より、図１の構成のようなファイバレーザ１０１を用いれば、波長の異なる２つの光パルスが同期された状態で発振することができる。また、２つの光パルスを同期発振した状態で、一方の光パルスの波長を変更することができる。

なお、ファイバレーザ１０１の各素子を偏波保持型で構成することでファイバレーザ１０１の安定性をさらに向上させることができる。また、波長変換素子２１１の後段（試料１０８側）に不図示のノイズ低減素子を配置することで、検出光の強度ノイズを低減することができる。不図示のノイズ低減素子としては、例えば、ファイバコリメータ、ＰＢＳ、ディレイライン等を用い、ＣＢＤ（ＣｏｌｌｉｎｅａｒＢａｌａｎｃｅｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）法によるノイズ低減が可能である。ＣＢＤ法については、ＯＰＴＩＣＳＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２０，Ｉｓｓｕｅ１３，ｐｐ．１３９５８−１３９６５，２０１２に記載されている。

図２を参照して、光路長変更手段１０３以降の素子を説明する。光路長変更手段１０３は、ファイバレーザ１０１から出射される２つの光のパルスタイミングが試料１０８で一致するように、ファイバレーザ１０１から出射される２つの光のそれぞれの光路長を変更する。このとき、波長変更手段２１２での波長選択と同期して光路長を高速に微調することで、試料１０８でのパルスタイミングずれを高精度に補正することができる。

光路長変更手段１０３には、手動または自動ステージとミラーとの組み合わせ、又は、ファイバディレイライン、その他市販のディレイライン等を用いる。微調を行う場合にはピエゾステージ等を用いてコンピュータ１１４から波長変更手段２１２でのフィルタリングと同期した制御を行う。光路長の変更量は主にファイバ長から決定されるため、予めファイバ中の分散量から計算して求めたり、別光路で試料と同距離に配置したセンサで波長ごとのパルスタイミングずれを実際に測定したりすればよい。パルスタイミング測定には二光子吸収や和周波発生を誘起するフォトダイオードや非線形結晶を利用する一般的な手法を用いればよい。

ファイバレーザ１０１において可変する波長幅が狭く、光増幅器等のファイバ長調整によって光路長差が無視できる場合、またはそのようにファイバ長や光学素子配置を調整した場合には光路長変更手段１０３は不要としてもよい。また、装置構成の観点から適宜その他の箇所へ移設、増設してもよい。

ミラー１０２、ダイクロイックミラー１０４は、その姿勢を調整することでファイバレーザ１０１からの光を同軸に合波する。走査手段１０５は、２つの光パルスで試料１０８上を走査するために、合波された２つの光パルスの射出角度を偏向する。走査手段１０５としては、ガルバノミラー等の光偏向素子を用いる。高速走査のためにレゾナントミラーやポリゴンミラーを、走査手段１０５に用いてもよい。顕微鏡を構成する際には、ガルバノミラーを２個用意して２次元走査を行う。後述するように両光パルスの集光点を試料１０８内（試料１０８表面を含む）で２次元に移動することで、２つの光パルスで試料１０８を走査できる。２つの光パルスで試料１０８を走査することで試料１０８の形状や組成を反映した、分子振動情報の２次元分布が画像（ＳＲＳ画像）として取得できる。

ミラー１０６は、合波ダイクロイックミラー１０４で合波された光を照射光学系１０７に導く。照射光学系１０７は、入射した両光パルスを試料１０８に導く光学系である。照射光学系１０７は、光パルスを試料１０８内の同一集光点（スポット）に集光する。試料１０８はステージ１０９上に配置されている。ステージ１０９は、ＸＹＺ方向に駆動することで、走査領域に試料１０８を移動させる。なお、本実施形態では、照射光学系１０７として対物レンズを用いるが、これに限らず、ミラー等を含んでいてもよい。

走査手段１０５による走査時に、試料１０８内における光量分布を均一にし、画像周辺部での光量低下を防ぐために、走査手段１０５と第１の対物光学系１０７との間の光パルスの光路上に不図示のリレーレンズ対（走査光学系）を挿入するとよい。この走査光学系（不図示）は、走査手段１０５のガルバノミラー面と第１の対物光学系１０７の入射瞳面とを共役関係とするように構成する。

検出光学系１１０は、試料１０８からの光を光検出器１１２に導く光学系である。光検出器１１２への集光が不十分だとノイズが生じることがあるため、このノイズを低減するために、検出光学系１１０の対物レンズの開口数は、照射光学系１０７の対物レンズよりも大きくして、試料１０８からの散乱光を高効率に集光することが好ましい。なお、本実施形態では、検出光学系１１０として対物レンズを用いるが、これに限らず、ミラー等を含んでいてもよい。

フィルタ１１１は、バンドパスフィルタまたはショートパスフィルタであり、ファイバレーザ１０１からの光の内、繰り返し周波数の高い光パルスのみを透過させる。本実施形態ではファイバレーザ１０１の第１の光生成部２５０の出射光であるＥｒファイバレーザ光の第２高調波に対して第２の光生成部２６０の出射光であるＹｂファイバレーザ光の繰り返し周波数で誘起された誘導ラマンロスを検出する。光検出器１１２は、入射した光パルスを電気信号に変換する検出手段である。

ロックインアンプ１１３は、光検出器１１２の検出結果である電気信号中から、Ｙｂファイバレーザ光の繰り返し周波数でＳＲＳ信号（誘導ラマンロス）をロックイン検出（同期検波）する。このため、ロックイン検出の参照信号には、Ｙｂファイバレーザ光に同期した電気信号を用いる。この参照用の電気信号は、例えば、ファイバレーザ１０１の第２の光生成部２６０の一部の光を分岐し、受光することによって得る。光の分岐にはビームサンプラやファイバカプラを用いればよい。

処理装置１１４は、ロックイン検出されたＳＲＳ信号を読み出す処理部である。また、処理装置１１４は、ＳＲＳ信号に対する信号処理を行って試料１０８に関する分子振動情報を画像化したＳＲＳ画像データ（２次元画像データ）を生成し、これらＳＲＳ画像データをディスプレイに表示する。画像化する際、光偏向素子１０５からの信号をデータ収録開始のトリガー信号として用いる。また、処理装置１１４は試料駆動ステージ１０９を制御して、試料１０８における観察部位を３次元的に設定することができる。処理装置１１４としては、プロセッサ、メモリ、記憶装置、入出力装置等を有するコンピュータを使用できる。

また、処理装置１１４は、取得した各波長のＳＲＳ画像データに対して主成分分析、独立成分分析等といったスペクトル分析手法を適用し、特徴的な成分に注目して疑似カラー化してディスプレイ上に表示してもよい。

処理装置１１４は、波長変更手段２１２における波長選択と同期して、ファイバレーザ１０１の第２の光源２１３に付属のドライバの印加電流値を変更してもよい。これによりＹｂファイバ２１５のゲインが小さくなる選択波長においてゲインを向上させることができるため、より広帯域におけるパルス発振が可能となる。

本実施形態において、ＳＲＳ計測が可能なラマンスペクトル領域（波数域）について述べる。ポンプ光の波長をλ_１、ストークス光の波長をλ_２とすると、それらの光の波数差ｋ（ラマンシフト）は式（１）となる。このとき、λ_１＜λ_２である。さらに、ポンプ光およびストークス光の波長が可変で、ポンプ光の最大波長をｍａｘ（λ_１）、最小波長をｍｉｎ（λ_１）、ストークス光の最大波長をｍａｘ（λ_２）、最小波長をｍｉｎ（λ_２）とする。このとき、計測可能なラマンシフトの最大波数ｋｍａｘ、最小波数ｋｍｉｎは式（２）に示すようになる。

例えば、ストークス光であるＹｂファイバレーザ光の波長を１０３０ｎｍ、波長掃引幅を±１５ｎｍとし、ポンプ光であるＥｒファイバレーザ光の第２高調波の波長を７９０ｎｍとする。この場合、式（２）より、ＳＲＳ計測可能な波数域は２８０６〜３０８９ｃｍ^−１となる。これは、ＣＨ伸縮領域のほぼ全域においてＳＲＳ計測が可能であることを示す。本実施形態では波長変更手段２１２を高速に駆動することでＣＨ伸縮領域において高速ラマンスペクトル取得が可能である。

本実施形態によれば、大型化を低減しつつ、広帯域の光を出力するレーザ装置を提供することができる。また、このようなレーザ装置を照射光の光源として用いる計測装置は、コンパクトで且つ広帯域観察が可能となる。また、本実施形態のレーザ装置は、安定性が高いため、これを用いた計測装置でも、安定性及び計測再現性の高い分光計測を行うことができる。

（第２の実施形態）
本実施形態のコヒーレントラマン散乱計測装置について、図４を参照して説明する。本実施形態のコヒーレントラマン散乱計測装置は、波長変更手段２１２付近の構成が第１の実施形態と異なる。本実施形態のレーザ装置は、波長変更手段２１２付近の構成を変更することにより、光増幅器でのＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）ノイズを低減することができる。これにより、広帯域で高感度な計測が可能な計測装置を提供できる。

図４は、本実施形態の波長変更手段２１２の構成を示す。本実施形態におけるその他の構成は、第１の実施形態と同じであるため、説明を省略している。なお、図４において、上述の構成と同様の構成については、同じ符番を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態のコヒーレントラマン散乱計測装置は、さらに、ファイバサーキュレータ４０１と、ファイバコリメータ４０２と、Ｄ型ミラー４０３と、Ｙｂファイバ光増幅器４０４と、を有する。

Ｙｂファイバ光増幅器２１９から射出された光は、ファイバサーキュレータ４０１へ入射する。ファイバサーキュレータ４０１へ入射した光は、ファイバサーキュレータ４０１から、ファイバコリメータ４０２、Ｄ型ミラー４０３を介して波長変更手段２１２の空間部へ導光される。ファイバコリメータ４０２から射出される光の光軸は、ファイバコリメータ３０２から出射される光の光軸とは同軸ではなく、紙面垂直方向にずれて配置されている。ただし、軸ずれは紙面垂直方向のみで紙面水平方向のずれはないように配置することが好ましい。

ファイバコリメータ４０２から射出した光は、可動ミラー３０３を介して回折格子３０４に入射する。回折格子３０４に入射した光は、回折格子３０４で反射、回折されて再びファイバコリメータ４０２へ入射し、回折光がカップリングされる。カップリングされる波長成分は、ファイバコリメータ３０２でカップリングされる波長成分と同じになるため、光増幅器２１９で発生したＡＳＥノイズがカットされる。２回目のフィルタリング時のスペクトル幅が変わらないように、ファイバコリメータ３０２、４０２は同一の仕様で、かつファイバコリメータ３０２、Ｄ型ミラー４０３間の距離とファイバコリメータ４０２、Ｄ型ミラー４０３間の距離は等しくしておくとよい。逆に、ファイバコリメータ３０２または４０２を後方側へ移動させることで出力光のスペクトル幅を狭小化することもできるし、両者を前方側へ移動させることで出力光のスペクトル幅を拡張することもできる。

ファイバコリメータ４０２でカップリングされた光は、ファイバサーキュレータ４０１へ戻り、別ポートに導光された後にＹｂファイバ光増幅器４０４で増幅される。Ｙｂファイバ光増幅器４０４へ入射される光は波長変更手段２１２においてＡＳＥノイズがカットされているため、Ｙｂファイバの分光ゲイン特性の端部においてもＡＳＥノイズが抑制され、入力光の波長成分が十分に増幅される。これにより、広帯域においてＳＮ比の高い光パルスが得られるため、より広範囲においてラマンスペクトル取得を高感度に行うことができる。

同様の方法は、波長変更手段２１２を共振器の後ろにもう一台用意することによっても達成されるが、その場合は共振器内の波長変更手段２１２との同期制御が必要となる。このため、装置の高コスト、大型化だけでなく、信号処理が複雑になってしまう。したがって本手法を用いれば最小の構成の追加で高感度な広範囲計測が可能である。Ｙｂファイバ光増幅器４０４で増幅された光はファイバコリメータ２２０で空間へ出力され、光路長変更手段１０３へ導光される。

また、本実施形態のレーザ装置によれば、より広帯域においてＳＮ比の高い光パルスを生成できるため、より広範囲において安定で高感度なラマンスペクトルの取得を行うことができる。

（第３の実施形態）
次に、図５、及び図６を用いて、本実施形態の計測装置５００について説明する。計測装置５００は、顕微鏡装置として用いることができるコヒーレントラマン散乱計測装置である。本実施形態では、レーザ装置（ファイバレーザ）１０１の構成に、さらに光生成部を追加することでより広範囲での分光計測が可能な計測装置、および顕微鏡を提供する。

図５は、計測装置５００の構成を説明する図である。なお、上述の構成と同じものについては、図５において同じ符番を付し、詳細な説明は省略する。計測装置５００は、レーザ装置（ファイバレーザ）５０１、ミラー５０２及びダイクロイックミラー５０３を有する点が、第１の実施形態と異なる。

ファイバレーザ５０１は、第１の光生成部２５０と第２の光生成部２６０に加え、第３の光生成部６５０を有し、第１の実施形態のファイバレーザ１０１とは異なり、３つの光パルスを出力する。そのため、図２の装置１００の構成に、合波用素子としてのミラー５０２とダイクロイック見らー５０３とが新たに追加されている。

図６に、ファイバレーザ５０１の構成を示す。なお、上述の構成と同じものについては、図６において同じ符番を付し、詳細な説明は省略する。ファイバレーザ５０１は、第１の実施形態のファイバレーザ１０１の各構成と、さらに、第３の光生成部６５０、Ｎｄファイバ光増幅器６２８、及びファイバコリメータ６２９を有する。なお、本実施形態では、ＷＤＭファイバカプラ２０５、２０６として、ＷＤＭファイバカプラ６０５、６０６を用いる。ＷＤＭファイバカプラ６０５、６０６は、３波長を合波する４ポートタイプのファイバカプラである。

第３の光生成部６５０は、可飽和吸収素子２０７、波長変更手段６２１、第３の光源６２２、ＷＤＭファイバカプラ６０５、６０６、６２３、Ｎｄファイバ６２４、共振器長変更手段６２５、ファイバアイソレータ６２６、及びファイバカプラ６２７を有する。すなわち、ＷＤＭファイバカプラ６０５、６０６及び可飽和吸収素子２０７は、第１の光生成部２５０と第２の光生成部２６０と第３の光生成部６５０とで共有している。

フィルタ６２１は、その透過波長によって第３の光生成部の発振波長を選択する。Ｎｄファイバ６２４は、波長９２０ｎｍ帯、１０６０ｎｍ帯、１３５０ｎｍ帯での発振が可能であり、特に１０６０ｎｍ帯のゲインが最も高い。本実施形態では、波長１０３０ｎｍ帯の光であるＹｂファイバレーザ光と組み合わせて指紋領域を観察できる波長９２０ｎｍ帯での発振を行うために、フィルタ６２１は９２０ｎｍの波長の光を透過するものを用いる。フィルタ６２１を波長変更手段２１２と同様に構成して選択波長を可変としてもよい。その場合は第１の実施形態と同様に、共振器長変更手段６２５も波長選択と同期して制御する。

第３の光源６２２は、励起用半導体レーザで、ＷＤＭファイバカプラ６２３を介して第３の光生成部６５０のゲインファイバであるＮｄファイバ６２４を励起する。効率的な励起のためには半導体レーザ６２２の波長は８０８ｎｍ付近が適している。Ｎｄファイバ６２４は、フィルタ６２１で選択された９２０ｎｍ帯の光を増幅する。共振器長変更手段６２５は、第３の光生成部６５０の共振器長と第１の光生成部２５０の共振器長とを一致させる。ファイバアイソレータ６２６は、光の進行方向を一方に制限する。

可飽和吸収素子２０７は、第３の光生成部６５０においても第１の光生成部２５０及び第２の光生成部２６０と共有された素子であり、第３の光生成部６５０のパルス化素子として機能する。ファイバカプラ６２７は、第３の光生成部６５０内の一部の光を第３の光生成部６５０外へ出力する。Ｎｄファイバ光増幅器６２８は、第３の光生成部６５０から出力された光のパワーを増幅する。ファイバコリメータ６２９は、ファイバ伝播光を空間へ出力する。

第３の光生成部６５０の共振器長は、第１の光生成部２５０の共振器長と等しく、第１の光生成部２５０とは異なる波長のポンプ光を生成する。このため、第３の光生成部６５０からのポンプ光と第２の光生成部２６０からの光であるストークス光との間のＳＲＳ信号を光検出器１１２で検出する。したがって、図５のフィルタ１１１は、第３の光生成部６５０からの光も透過するフィルタを用いる。１０００ｎｍ以下を透過、それ以上を反射または吸収するようなショートパスフィルタであれば、第１の光生成部２５０及び第３の光生成部６５０のそれぞれからの光を透過し、第２の光生成部２６０からの光を取り除くことができる。

光検出器１１２は、第３の光生成部６５０からの光の波長にも対応した分光感度を有するものを使用する。もしくは光検出器１１２とは別に、第３の光生成部６５０からの光に対応した別の光検出器を別光路に配置してもよい。光検出器１１２での検出光を切り替える必要がある場合には、ファイバレーザ５０１において検出しない光増幅器の電源をＯＦＦとする。ダイクロイックミラー５０３をモーターステージ付きのミラーに代替して光路を切り替えてもよい。

本実施形態において、第３の光生成部６５０の発振波長を９２０ｎｍとする。その場合、第２の光生成部２６０の発振波長が中心波長を１０３０ｎｍとして波長掃引幅が±１５ｎｍとすると、観察可能なラマンスペクトル領域は、式（２）より、１０１７〜１３００ｃｍ−１となる。さらに、フィルタ６２１を可変選択波長フィルタとして、第３の光生成部６５０の発振波長を９００〜９４５ｎｍまで可変できる場合には、観察可能な領域は、式（２）より、７３０〜１５４２ｃｍ−１まで広範囲化できる。この領域は、物質に固有なラマンスペクトルピークが多数得られる指紋領域に含まれるため、物質の識別に有効である。したがって、９２０ｎｍ帯を発振する第３の光生成部６５０を追加することで、物質同定能の高い指紋領域と生体からの信号が高いＣＨ伸縮帯での同時観察が可能となる。

本実施形態では、Ｎｄファイバをゲインファイバとする第３の光生成部６５０を示したが、これに限らず、他のゲインファイバを用いた第３の光生成部を構成してもよいし、さらなる広帯域観察のために第４以降の光生成部を適宜追加してもよい。また、ストークス光を生成する第２の光生成部２６０と同じ構成、共振器長とした光生成部を追加してもよい。その場合、フィルタ１１１は、ストークス光の波長の光がカットできるものを選定する。

また、本実施形態によれば、光生成部を多段化することで、より広波数域におけるラマン散乱計測が可能な計測装置および顕微鏡を実現することができる。

以上説明した各実施形態は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施形態に対して種々の変形や変更が可能である。

例えば、上述の各実施形態では、ガルバノミラーを用いて試料１０８上で集光点の２次元走査を行う場合について説明した。しかし、走査手段の構成はこれに限らず、１軸のガルバノミラーによる走査と、その走査方向の直交方向に駆動する試料を支持するステージ１０９の駆動とを組み合わせて２次元走査を行ってもよい。また、ステージ１０９のみを２次元面内で駆動してもよい。また、画像化する必要がなければ、光偏向素子１０５を走査せずに、試料１０８上の１点におけるラマンスペクトル計測を行えばよい。

上述したように、上述の各実施形態では、ファイバレーザ１０１において第１の光生成部の繰り返し周波数を第２の光生成部の繰り返し周波数の２倍となるように構成したが、繰り返し周波数を同じように構成してもよい。その場合、強度、波長及び偏光状態のいずれかを外部入力信号によって変調する方法を用い、任意の繰り返し周波数でＥｒファイバレーザ光の第２高調波またはＹｂファイバレーザ光を変調し、変調されていない方の光を、変調周波数においてロックイン検出する。

上述の各実施形態では、Ｅｒファイバ２０３とＹｂファイバ２１５とを用いているが、所望の波長に応じて適宜、Ｎｄファイバ、Ｐｒファイバ、Ｅｒファイバ、Ｔｍファイバへ変更することもできる。また、希土類を添加するファイバはシリカファイバでなくフッ化物ファイバでもよい。

また、上述の各実施形態では、各光生成部２５０、２６０、６５０のそれぞれの共振器をリング型共振器としたが、共振器の構成はこれに限らず、例えば、リニア型共振器としてもよい。リニア型共振器は、可飽和吸収素子が共有されていることを前提として、例えば、図２のリング型共振器のいずれかの箇所で切断して、切断箇所の端面にミラー等の反射素子を取りつける、または一端を可飽和吸収ミラーに変更する、等を行って構成すればよい。

さらに、上述の各実施形態の計測装置は、ＳＲＳ信号ではなくＣＡＲＳ（ＣｏｈｅｒｅｎｔＡｎｔｉ−ＳｔｏｋｅｓＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）信号を計測する構成とすることもできる。これは、例えば第１の実施形態では、非検出光カットフィルタ１１１をＣＡＲＳ信号の波長帯のみを透過するフィルタへ変更することでＣＡＲＳ信号を検出できる。この場合、Ｅｒファイバレーザ光の第２高調波とＹｂファイバレーザ光の繰り返し周波数は同じでもよく、ロックインアンプ１１３はなくしてもよい。また、光検出器１１２には光電子増倍管を用いるとよい。

ＣＲＳ計測に限定せず、多光子吸収、多光子蛍光を計測する光学装置、顕微鏡を構成してもよい。

上述の各実施形態では、試料を透過した光に対する計測を行う構成を説明したが、厚みのある試料を計測するために試料で後方散乱した散乱光に対する計測を行う構成にしてもよい。また、試料に光を導く各構成の一部又は全部をプローブ化して、ラマン散乱観察装置の１形態である内視鏡を構成してもよい。

上述の各実施形態に記載の計測装置は、波長帯域で物質の形状観察、組成特定が可能な光学装置やこれを用いた顕微鏡等の観察装置を提供することができる。

１０１レーザ装置
２０７可飽和吸収体
２１２波長変更手段
２５０第１の光生成部
２６０第２の光生成部

Claims

第１の光パルスと第２の光パルスとを出力するレーザ装置であって、
前記第１の光パルスを生成する第１の光生成部と、
前記第２の光パルスを生成する第２の光生成部と、を有し、
前記第２の光生成部は、前記第２の光パルスの波長を変更する波長変更手段を有し、
前記第１の光生成部と前記第２の生成部とは、可飽和吸収体を共有している
ことを特徴とするレーザ装置。
前記第１の光生成部及び前記第２の光生成部の一方の共振器長は、他方の共振器長の１／ｎ倍（ｎは１以上の整数）である
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記第１の光生成部及び前記第２の光生成部の一方の共振器長は、他方の共振器長の１／ｍ倍（ｍは２以上の整数）である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
前記波長変更手段による前記第２の光パルスの波長の変更に同期して、前記第１の光生成部の共振器長又は前記第２の光生成部の共振器長を変更する長さ変更手段を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記長さ変更手段は、前記第１の光生成部を伝播する前記第１の光パルスの光路長と前記第２の光生成部を伝播する前記第２の光パルスの光路長との差を低減するように、前記第１の光生成部の共振器長又は前記第２の光生成部の共振器長を変更する
ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ装置。
前記第１の光生成部及び前記第２の光生成部のそれぞれは、励起光を出力する励起光源を有し、
前記波長変更手段による前記第２の光パルスの波長の変更に同期して、前記第１の光生成部の励起光源への印加電流値又は前記第２の光生成部の励起光源への印加電流値を変更する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記第１の光生成部からの前記第１の光パルスの強度を増幅する光増幅器を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記第２の光生成部からの前記第２の光パルスの強度を増幅する光増幅器を有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記光増幅器を第１の光増幅器とすると、前記第１の光増幅器と異なる第２の光増幅器を有し、
前記第１の光増幅器からの前記第２の光パルスは、前記波長変更手段を介して前記第２の光増幅器に入射するように構成されている
ことを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
第３の光生成部を有し、
前記第３の光生成部は、前記第１の光生成部及び前記第２の光生成部と１つの可飽和吸収体を共有している
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
第１の光パルスと第２の光パルスとを出力するパルス光源と、
前記パルス光源からの前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとを試料に照射する照射光学系と、
前記試料からの散乱光を検出する検出手段と、を有し、
前記パルス光源は、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のレーザ装置を含む
ことを特徴とする計測装置。
前記第１の光生成部の共振器長は、前記第２の光生成部の共振器長の１／ｎ倍（ｎは２以上の整数）であり、
前記検出手段は、前記第１の光パルスを検出する
ことを特徴とする請求項１１に記載の計測装置。
前記第２の光生成部の共振器長は、前記第１の光生成部の共振器長の１／ｎ倍（ｎは２以上の整数）であり、
前記検出手段は、前記第２の光パルスを検出する
ことを特徴とする請求項１２に記載の計測装置。
前記波長変更手段による前記第２の光パルスの波長の変更に同期して、前記パルス光源と前記試料との間の前記第１のパルス光の光路長又は前記パルス光源と前記試料との間の前記第２のパルス光の光路長を変更する光路長変更手段を有する
ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の計測装置。
前記検出手段の検出結果を用いて前記試料の画像を取得する処理部と、を有する
ことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の計測装置。