JP2018009871A - 光検出装置、光検出方法および光検出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、微弱光を高速、高感度に検出可能な光検出装置、光検出方法および光検出プログラムを提供すること。【解決手段】第１パルス光を発生する第１レーザ光源と、第２パルス光を発生する第２レーザ光源と、第２パルス光を複数の位相で変調するとともに第１パルス光に対し遅延させ複数の位相変調パルス光として出力する位相変調部と、第１パルス光と複数の位相変調パルス光とを合波し合波パルス光として出力する合波部と、合波パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光し受光する受光部と、受光部で受光された散乱光の周波数スペクトルから特定の物質に起因するスペクトルを検出する検出部であって、複数の位相変調パルスに同期する複数のスペクトルから第１パルス光と第２パルス光の位相差を基準位相として取得するとともに該基準位相を用いて特定の物質に起因するスペクトルを検出する検出部と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、光検出装置、光検出方法および光検出プログラムに関する。

本発明は、光検出装置、光検出方法および光検出プログラムに関し、特に、物質の分析においてラマン分光技術を用いる場合の光検出装置、光検出方法および光検出プログラムに関する。すなわち、２つ以上のパルスレーザ光を試料に照射し、その結果試料から発せられるラマン散乱光を観察することにより、試料内の物質を分析する場合の光検出装置、光検出方法および光検出プログラムに関する。

ラマン分光技術による微量物質の検出は、分析装置における基本技術としての重要性が高く、多くの技術開発が行われてきた。一方、昨今の医療技術の進歩と共に、微量物質検出技術の医療診断技術への応用が試みられており、当該医療診断技術の分野においてもより一層の微量物質の検出感度の向上が求められようになってきている。

上記ラマン分光技術として、コヒーレントアンチストークスラマン散乱法（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＣＡＲＳ）が知られている（特許文献１）。これは、二種類又はそれ以上の光パルスを試料に照射し、それらの間に起こる非線形光学過程によって試料から発せられるコヒーレントアンチストークスラマン散乱光（ＣＡＲＳ光）を観察するものである。

たとえば、図１３（ａ）に示されるようなエネルギー準位を持った分子をＣＡＲＳによって観察することを考える。まず、初期状態のエネルギー準位Ｌ１において、角周波数ω１をもった第１のパルス光（励起光）の入射によって試料の分子が励起され、そのエネルギー準位が矢印Ａで示すようにＬ３まで上がる。そして、角周波数ω２を持った第２のパルス光（ストークス光）を入射させることにより、分子のエネルギー準位は光子放出により矢印Ｂで示すようにＬ３からＬ２に下がる。さらに角周波数ω３を持った第３のパルス光（プローブ光）を入射させることにより、分子のエネルギー準位は、矢印Ｃで示すように、Ｌ２からＬ４に上昇し、ＣＡＲＳ光の発生によって矢印Ｄで示すように、Ｌ４からＬ１に下がる。

このように、角周波数ω１、ω２、ω３をもった３種類のパルス光の入射によって、いわゆる四光波混合過程が生じ、結果として角周波数ω１＋ω３−ω２を持つＣＡＲＳ光が発生する。このようなＣＡＲＳ光は、入射パルスの周波数差Δω=ω１−ω２が、観察すべき分子のエネルギー準位差に共鳴するときに特に強く現れる。現実に用いることの可能な光パルスを考慮すると、Δωが分子の振動モード周波数に一致するときに強いシグナルが得られることが考えられるため、このような振動モードを持つ分子の検出が可能となる。また、この手法は２種類のパルス光を用いて上記第３のパルス光によって生ずる光学過程を第１のパルス光によって起こすことにより、2ω１−ω２の角周波数を持つＣＡＲＳ光を検出することによっても実現される。

図１３（ｂ）は、試料に照射されたパルス光のスペクトルＳＰと、当該照射によって発生したＣＡＲＳ光のスペクトルＳＣを示している。スペクトルＳＰの一部に対応するパルス光によりラマン散乱が発生し、波長λがΔλだけ短波長側に遷移した位置にＣＡＲＳ光のスペクトルＳＣが発生している。この波長の遷移幅Δλは、一般にラマンシフトと呼ばれ、波長の代わりに波数ｎ（波長λの逆数、ｃｍ^−１）で表す場合もある。なお、以下では、パルス光の波長に言及する場合には、当該パルス光のスペクトルの中心波長で示すこととする。

図１４に、このような原理を利用した、従来技術に係るラマン分光装置８０を示す。ラマン分光装置８０は、２種類のレーザパルス光源である第１レーザパルス光源８２、第２レーザパルス光源８４、これら光源からのパルス光を試料８８の同一箇所に照射するための光学系８６、試料８８より放出されるＣＡＲＳ光を検出する検出装置９０を含んで構成されている（特許文献１、非特許文献１）。そして、たとえば、第１レーザパルス光源８２および第２レーザパルス光源８４から発せられるパルス光の波長を変化させることにより、試料８８に含まれた特定分子から発せられるＣＡＲＳ光を選択的に検出することが可能となっている。

ＣＡＲＳ光は、試料８８中の分子に固有の性質である分子の振動によって検出されるので、たとえば生体内の微量分子を同定する場合において、当該微量分子に対する標識物質による染色等を必要としない。したがって、特に標識物質の分子よりも小さい分子から構成される小分子化合物を観測する場合に、標識物質の影響により阻害されることなく観測が可能となる。このように、ＣＡＲＳ光の観察によるラマン分光装置は、特に生体観察において他の方法に対する優位性を有している。

特開２００２−１０７３０１号公報 国際公開第ＷＯ２０１５／１２５６６５号パンフレット 特表２０１３−５３６４１５号公報

Journal of Physical Chemistry B105, p.1277(2001)

ところで、複数の振動準位、あるいは複数の分子種を同時に観測するためには、広帯域の振動スペクトルの一括測定が必須となる。このためには、多くの光周波数を一括して含む広帯域光源、すなわち超短パルス光源が必要となる。

しかしながら、広帯域の超短パルスの光源を用いることで、ＣＡＲＳ光信号の周波数分解能が下がってしまう。ＣＡＲＳ光信号も広帯域となるため、ラマンシフトの正確な値を得ることが困難となるからである。また、超短パルスは先頭出力（ピークパワー）が高いため、非共鳴バックグラウンド（Ｎｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ：ＮＢＲ）も同時に発生し、観測対象のＣＡＲＳ光信号を覆い尽くしてしまう。

すなわち、共鳴成分であるＣＡＲＳ光を含む信号光には、上記非共鳴バックグラウンドと呼ばれる光成分が重畳されることが知られている（非特許文献１）。図１５（ａ）は、非共鳴バックグラウンドの発生過程の一例を示している。まず、初期状態のエネルギー準位Ｌ１において、角周波数ω１を持った第１のパルス光の入射によって試料の分子が励起され、そのエネルギー準位が矢印Ｅで示すように仮想的な準位Ｌ６まで上がる。そして、角周波数ω２を持った第２のパルス光を入射させることにより、矢印Ｆで示すようにエネルギー準位がさらに仮想的な準位Ｌ７まで上がる。さらに角周波数ω３を持った第３のパルス光を入射させることにより、分子のエネルギー準位は、矢印Ｇで示すように、仮想的な準位Ｌ７から仮想的な準位Ｌ５に下がり、光の発生によって矢印Ｈで示すように、仮想的な準位Ｌ５から準位Ｌ１に下がる。仮想的な準位Ｌ５から準位Ｌ１への遷移で発生した光が非共鳴バックグラウンドである。

図１５（ｂ）は、入射パルス光のスペクトルＳＰ、ＣＡＲＳ光のスペクトルＳＣ、および非共鳴バックグラウンドのスペクトルＳＮの各スペクトルを示したものである。図１５（ｂ）では、直感的な理解のために５つのスペクトルＳＮで示しているが、実際の非共鳴バックグラウンドは離散的なスペクトルではなく、連続的なスペクトルを有して発生する。上述では、理解の容易化の観点から、仮想的な準位Ｌ５ないしＬ７を介して非共鳴バックグラウンドが発生するとして説明したが、実際の非共鳴バックグラウンドは振動準位を介さないで発生するからである。

上記のような連続的なスペクトルを有する非共鳴バックグラウンドが発生すると、ＣＡＲＳ光はその非共鳴バックグラウンドの中に埋もれてしまう。このように非共鳴バックグラウンド内に埋もれてしまったＣＡＲＳ光の抽出は非常に困難である。また、非共鳴バックグラウンドは、ラマン光の検出においてノイズとして作用し、この影響により、得られる画像のコントラストが下がったり、またスペクトルのシフトや歪み等の悪影響が発生したりする。

さらに、一般にＣＡＲＳ光は非線形光学効果に起因しているために、極めて強度が弱い。また、生体内の分子の観察においては、観察対象を保護するために入射パルス光の照射光強度をなるべく低くすることが要求されており、その場合には、信号光に含まれるＣＡＲＳ光はさらに弱くなる。

上記のように、ノイズに埋もれた弱い光を観測する一方法として、入射パルス光に対しランダムな位相変調をかけて試料に照射し、発生した信号光の光強度を複数取得し、取得した複数の光強度に対する数値解析（信号処理）からラマン光を検出する方法が知られている。本検出方法は、いわば擬似的な位相敏感検波を用いた検出方法である。本方法では、入射パルス光に対しランダムな位相位置の位相変調を施して試料に照射し、試料において散乱した信号光の中から、当該位相変調が施された信号を正弦波近似して再現し、抽出する。

しかしながら、本検出方法では、実用的な感度でＣＡＲＳ光を検出するために、数１００個（たとえば、５００個）レベルの位相変調を必要とし、測定に多大な時間を要する点が問題であった。また、複数のランダムな位相を適用していることから、ノイズの除去、あるいは感度の点でも不十分であった。

上記の問題の解決を目的とした光検出装置として、特許文献２に開示された励起・プローブ型の光検出装置が知られている。特許文献２に開示された光検出装置は、第１パルス光を発生する光源、第１パルス光が示す周波数スペクトルの一部から成る第２パルス光を透過し第１パルス光が示す周波数スペクトルの他部から成る第３パルス光を反射するバンドパスフィルタ、第２パルス光に対して複数の位相で位相変調する光変調器、第３パルス光と光変調器で位相変調された第２パルス光とを合波して第４パルス光とする合波器、および第４パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光して検出する分光器を備えている。

特許文献２に開示された光検出装置では、第３パルス光が広帯域の励起光として作用し、第２パルス光がプローブ光として作用する。特許文献２に開示された光検出装置では、位相変調するための変調位相として、例えば直交する４つの位相を用いている。そして、分光器で検出された散乱光の周波数スペクトルから、光変調器で位相変調された第２パルス光によって散乱した散乱光の周波数スペクトルを、光変調器における位相変調と同期させた所定の演算処理により抽出する。以下、特許文献２に開示された光検出方法を「従来技術に係る直交４位相法」といい、従来技術に係る直交４位相法で行われる信号処理を「従来技術に係る光検出信号処理」といい、従来技術に係る光検出信号処理を行う光検出装置を「従来技術に係る光検出装置」という場合がある。

上記の特許文献２に開示された光検出装置によれば、ランダムな位相変調を適用した従来技術と比較して、格段の検出時間の短縮をもたらした。しかしながら、特許文献２に開示された光検出装置は、励起光とプローブ光とがバンドパスフィルタで分岐、合波される干渉計型の構成であるために、プローブ光の光路に配置された光変調器の温度特性等に起因する光路長ゆらぎ等が原因でＣＡＲＳ光（信号）の相対位相が常に変動するという問題があった。

ＣＡＲＳ光の相対位相が常に変動している特許文献２に開示された光検出装置でも、ラマン信号を正しく検出できるのは以下の理由による。すなわち、特許文献２に開示された光検出装置では、第１に、直交４位相法の光検出信号処理が複素非線形感受率χ(3)の振幅の絶対値を求めるアルコリズムであり、相対位相を用いていないからである。第２に、励起光に対するプローブ光の遅延時間を、プローブ光のパルス幅より大きくしているため、相対位相の情報が無くても実質的にラマン散乱由来の成分だけを取得できているからである。

しかしながら、さらなる高感度化、あるいは高速信号取得化のためには、励起光に対するプローブ光の遅延時間をなるべく小さくして、励起直後の強いラマン振動成分を効率良く取得する方法が必要となってきている。

一方、特許文献３には、ＣＡＲＳ過程において生成される反ストークス信号から非共鳴バックグラウンドを除去することを目的とした光検出装置が開示されている。共鳴ＣＡＲＳ信号は実成分および虚数成分を有し、虚数成分は自発ラマンスペクトルに直接関係し、ＮＲＢ信号は実成分のみを有することが知られている。特許文献３に開示された光検出装置では、ＣＡＲＳ信号全体の虚数成分を回復することを狙いとし、直交偏光において２つのＣＡＲＳ信号を同時生成させる。すなわち、一方が、実成分に破壊的に干渉する（すなわち実成分から減算される）虚数成分を有する直線偏光であり、他方が、それらに建設的に干渉する虚数成分を有する直線偏光である。これら２つの偏光を測定し、それらを減算することによって信号の実部を相殺し、虚数成分のみを残す。このような手順によって、特許文献３に開示された光検出装置では、ＣＡＲＳ過程において生成される反ストークス信号からの非共鳴バックグラウンドを除去している。

しかしながら、特許文献３に開示された光検出装置は、複素非線形感受率χ(3)の分離のために直線偏光を用いる方式であり、本発明のように複数個の変調位相で位相変調されたプローブ光を用いて取得されたＣＡＲＳスペクトルから、演算処理によって複素非線形感受率の実部と虚部とを分離する方法とは根本的に異なる方式である。

すなわち、特許文献３に開示された光検出装置では、偏光分離を用いることを必須としている。一般に、偏光分離を用いる方法では、層構造を持つ生体組織のような線形複屈折がある試料に対しては大きなアーティファクトを生ずる（例えば、C. W. Freudiger et al.J. Phys. Chem. B, 2011, 115 (18), pp 5574-5581参照）。従って、生体試料観察の観点からは、同じ偏光のプローブ光でラマン光と非共鳴光とを分離できるようにしたいという要求が強い。

本発明は、以上のような背景に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、微弱光を高速、高感度に検出可能な光検出装置、光検出方法および光検出プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の光検出装置は、第１の帯域を有する第１のパルス光を発生する第１のレーザ光源と、前記第１の帯域より狭い第２の帯域を有する第２のパルス光を発生する第２のレーザ光源と、前記第２のパルス光を複数の位相で変調するとともに前記第１のパルス光に対し０を含む予め定められた時間だけ遅延させ複数の位相変調パルス光として出力する位相変調部と、前記第１のパルス光と前記複数の位相変調パルス光とを合波し合波パルス光として出力する合波部と、前記合波パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光し受光する受光部と、前記受光部で受光された前記散乱光の周波数スペクトルから特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部であって、前記複数の位相変調パルスに同期する複数の周波数スペクトルから前記第１のパルス光と前記第２のパルス光の位相差を基準位相として取得するとともに前記基準位相を用いて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部と、を含むものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記予め定められた時間が前記第２のパルス光のパルス幅より小さいものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記第１のパルス光の分散を補償し前記第１のパルス光をフーリエ限界パルスに近似したパルスとする分散補償部をさらに含むものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記検出部は、前記散乱光の位相スペクトルにおいて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルが存在しない周波数領域の位相のオフセット値を前記基準位相として取得するものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記第１のレーザ光源は超短パルスレーザを用いた光源であり、前記第２のレーザ光源は前記第１のレーザ光源の出力を分岐するとともに帯域を制限して構成されたものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記第１のパルス光を励起光とし、前記複数の位相変調パルス光をプローブ光とし、前記散乱光の周波数スペクトルがコヒーレントアンチストークスラマン散乱光の周波数スペクトルであるものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記検出部は、前記複数の周波数スペクトルの位相を前記基準位相に揃えることにより前記散乱光の周波数スペクトルに基づいて取得される複素非線形感受率の実部と虚部とを分離し前記虚部を用いて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出するものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記複数の位相が直交する４つの位相であり、前記４つの位相のうち位相がπだけ異なる位相変調パルスに同期する周波数スペクトルの差分の一方をＸ、他方をＹとした場合、前記検出部は、前記基準位相を、式−ｔａｎ^−１（Ｙ／Ｘ）の算出結果から取得するものである。

上記目的を達成するために、請求項９に記載の光検出方法は、第１の帯域を有する第１のパルス光を発生する第１のレーザ光源と、前記第１の帯域より狭い第２の帯域を有する第２のパルス光を発生する第２のレーザ光源と、前記第２のパルス光を複数の位相で変調するとともに前記第１のパルス光に対し０を含む予め定められた時間だけ遅延させ複数の位相変調パルス光として出力する位相変調部と、前記第１のパルス光と前記複数の位相変調パルス光とを合波し合波パルス光として出力する合波部と、前記合波パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光し受光する受光部と、前記受光部で受光された前記散乱光の周波数スペクトルから特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部と、を含む光検出装置を用いた光検出方法であって、前記検出部により、前記複数の位相変調パルスに同期する複数の周波数スペクトルから前記第１のパルス光と前記第２のパルス光の位相差を基準位相として取得するとともに前記基準位相を用いて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出するものである。

上記目的を達成するために、請求項１０に記載の光検出プログラムは、第１の帯域を有する第１のパルス光を発生する第１のレーザ光源と、前記第１の帯域より狭い第２の帯域を有する第２のパルス光を発生する第２のレーザ光源と、前記第２のパルス光を複数の位相で変調するとともに前記第１のパルス光に対し０を含む予め定められた時間だけ遅延させ複数の位相変調パルス光として出力する位相変調部と、前記第１のパルス光と前記複数の位相変調パルス光とを合波し合波パルス光として出力する合波部と、前記合波パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光し受光する受光部と、を含む光検出装置を制御するための光検出プログラムであって、コンピュータを、前記受光部で受光された前記散乱光の周波数スペクトルから特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部であって、前記複数の位相変調パルスに同期する複数の周波数スペクトルから前記第１のパルス光と前記第２のパルス光の位相差を基準位相として取得するとともに前記基準位相を用いて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部として機能させるためのものである。

本発明によれば、簡易な構成で、微弱光を高速、高感度に検出可能な光検出装置、光検出方法および光検出プログラムを提供することが可能となる。

実施の形態に係る光検出方法の手順について説明するための図である。 実施の形態に係る光検出装置の構成の一例を示す概略構成図である。 実施の形態に係る位相変調の変調位相を説明するための模式図、および光変調器に印加する駆動電圧を示すグラフである。 実施の形態に係る光検出装置の各部光信号の波形およびスペクトルを示す図の一部である。 実施の形態に係る光検出装置の各部光信号の波形およびスペクトルを示す図の一部である。 実施の形態に係る光検出処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態に係る光検出装置の励起光とプローブ光との間の遅延時間を説明するための図である。 実施の形態に係る光検出装置の強度スペクトルを示すグラフである。 実施の形態に係る光検出装置の直交４位相法によるＣＡＲＳスペクトル抽出の手順を説明するグラフである。 実施の形態に係る光検出装置によって抽出したＣＡＲＳスペクトルを、従来技術で抽出したＣＡＲＳスペクトルとともに示すグラフである。 従来技術に係る光検出装置の強度スペクトルを説明するための図である。 実施の形態に係る光検出装置の位相スペクトル、複素非線形感受率の実数成分スペクトル、および虚数成分スペクトルの一例を示すグラフである。 ラマン散乱を説明するための図である。 従来技術に係るラマン分光装置の構成を示すブロック図である。 非共鳴バックグラウンドを説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。本発明においては、光源からのパルス光に対して位相変調する際の複数の変調位相は、相互に直交していてもよいし直交していなくともよいが、本実施の形態では、理解のし易さの観点から、直交する４位相で位相変調する方法（直交４位相法）を例示して説明する。

本実施の形態に係る直交４位相法は、超短パルス光の広帯域スペクトルの一部に位相変調を施して試料に照射し、試料において発生した信号光から位相変調されたスペクトルと同期した周波数成分を抽出し、観測する。すなわち、広帯域スペクトルの一部である狭帯域のパルス光に対して、最も大きなスペクトル変化が得られる複数の直交位相を指定して位相変調を施す。そして、得られた４位相に対応する強度スペクトルに本実施の形態に係る光検出信号処理を施して複素非線形感受率の実部と虚部とを分離し、分離された虚部からＣＡＲＳ信号を分離する。なお、本実施の形態においては、「直交」を、２つの信号の積を積分した場合に０となるという通常の意味で用いている。

図１を参照しつつ、本発明の概要について、より具体的に説明する。図１は、本発明に係る光検出方法の手順を示しており、同図は、試料において発生したＣＡＲＳ光をスペクトル情報として抽出する場合を例示している。

図１に示すように、まず、手順Ｔ１で、光源のパルス光について狭帯域成分を有するパルス光（第１のパルス光）と広帯域成分を有するパルス光（第２のパルス光）とに分波する。

つぎの手順Ｔ２では、第２のパルス光に対して第１のパルス光を遅延時間τだけ遅延させる。なお、本実施の形態では、遅延時間τはτ＝０を含むものとしている。

つぎの手順Ｔ３では、手順Ｔ２で遅延させた第１のパルス光に対して、予め定められた直交する複数の位相で位相変調を施す。
つぎの手順Ｔ４では、位相変調された第１のパルス光と、第２のパルス光とを合波する。

つぎの手順Ｔ５では、当該合波された光を試料に照射する。
つぎの手順Ｔ６では、試料において発生した信号光を分光する。

つぎの手順Ｔ７では、分光した信号光を受光部に入射させ電気信号に変換する。
つぎの手順Ｔ８では、当該電気信号に対し所定の光検出信号処理を実行することにより、ＣＡＲＳ光のスペクトルを抽出する。

以上の手順により、試料に含まれる分子の振動を反映したＣＡＲＳ光のスペクトルを得ることができる。

図２に、本実施の形態に係る光検出装置１０を示す。光検出装置１０は、光源１２、分散調整部４０、変調部４２、分光器１６、受光部１８、制御部２０、バンドパスフィルタ２４、ショートパスフィルタ２８、対物レンズ３０、３２、およびハーフミラー５４を含んで構成されている。

光源１２は、光検出装置１０において、ラマン散乱過程における、励起光、ストークス光、およびプローブ光の各々に対応する光を発生させる光源である。本実施の形態に係る光検出装置１０では、光源１２に広帯域のパルス光を発生する超短パルスレーザを用いている。光源１２には戻り光を遮断するためのアイソレータ４４が設けられる場合もある。
ただし、アイソレータ４４は必要に応じて設ければよいものであり、必須のものではない。

バンドパスフィルタ２４は、光源１２から出射したパルス光ＰＡについて、一部を透過させて狭帯域のパルス光ＰＢとし、他部を反射させて広帯域のパルス光ＰＤとする狭帯域バンドパスフィルタである。また、本実施の形態に係るバンドパスフィルタ２４は、位相変調されたパルス光ＰＣと、分散調整部４０で折り返されたパルス光ＰＤとを合波し、試料２６に照射するパルス光ＰＥとする機能を兼用している。

なお、本実施の形態では、バンドパスフィルタ２４について、パルス光ＰＡとパルス光ＰＢとを分波する機能と、パルス光ＰＣとパルス光ＰＤとを合波する機能と、を兼用した形態を例示して説明するが、これに限られず、これらを別の素子を用いて構成してもよい。この場合には、合波する素子として、通常のハーフミラーを用いればよい。

分散調整部４０は、回折格子４６、反射鏡４８、ＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：空間光変調器）５０、および凹面鏡５２を含んで構成されている。分散調整部４０は、パルス光ＰＡの分散を補償して広帯域（狭パルス幅）のパルス光ＰＤに変換する部位である。すなわち、分散調整部４０では、回折格子４６で角度（波長）分散されたパルス光ＰＡが凹面鏡５２でコリメート化（平行化）され、反射鏡４８で反射されてＳＬＭ５０に入射する。ＳＬＭ５０では、ＳＬＭ５０の面上における所定の位置方向が角度分散された各波長の方向に変換される。つまり、ＳＬＭ５０の面上における位置（ピクセル）が角度分散された各波長に対応することになるので、各波長ごとにその位相を制御することが可能となる。以上のような分散調整部４０の動作によって、パルス光ＰＡに含まれる各波長ごとの位相が調整され、分散が補償されたパルス光ＰＤとして出力される。

変調部４２は、光変調器１４および可動ミラー３４を含んで構成されている。可動ミラー３４は、パルス光ＰＢの光学遅延量を大まかに調整するとともに、入射方向に折り返す部位である。

光変調器１４は、バンドパスフィルタ２４で分波されたパルス光ＰＢに対し直交４位相法における４つの位相に対応させて変調を行い、４つの位相に対応するパルス光を生成し、パルス光ＰＣとして出力する部位である。本実施の形態では、光変調器１４の一例として、電気光学効果により光の位相を変調するＬＮ（リチウムナイオベート；ＬｉＮｂＯ_３）変調器を用いた形態を例示して説明するが、これに限られない。たとえば、駆動機構の付いた反射鏡等の、機械的に光の位相を遅延させる構成を用いた形態としてもよい。

ハーフミラー５４は、光源１２からのパルス光ＰＡを透過させ、試料２６に照射するパルス光ＰＥを反射させる半透過型のミラーである。

対物レンズ３０は、バンドパスフィルタ２４で合波されたパルス光ＰＥを試料２６に対して集光し、照射するレンズである。対物レンズ３２は、試料２６において発生した信号光であるパルス光ＰＦ（ＣＡＲＳ光とともに励起光等も含まれている）を集光し、分光器１６に導くレンズである。

対物レンズ３０および試料２６の少なくとも一方を動かすことにより、試料２６におけるパルス光ＰＥの照射位置を走査する（スキャンする）ことができる。この場合、対物レンズ３０および試料２６の少なくとも一方に、紙面に垂直な平面内で移動させることが可能な駆動機構、たとえばピエゾ素子を用いた駆動機構を設けてもよい。

ショートパスフィルタ２８は、パルス光ＰＦからＣＡＲＳ光より圧倒的に光強度が大きい励起光（試料２６を透過しただけの光）の成分を除去してパルス光ＰＧとし、ＣＡＲＳ光を抽出し易くするための長波長カットフィルタである。なお、励起光の除去は励起光の一部であってもよい。また、ショートパスフィルタ２８は、励起光の強度等に応じて適宜に設ければよいもので、必須のものでもない。

分光器１６は、パルス光ＰＧを分光するとともに分光した光を受光部１８に導く部位であり、特に制限なく一般的なスペクトロメータを用いて構成することができる。

受光部１８は、分光されたＣＡＲＳ光を含む光を受光する部位であり、本実施の形態では、一例として、ＣＣＤを用いている。受光部１８としては、ＣＣＤに限定されず、たとえば光電子増倍管、フォトダイオード等の他の受光素子を用いることもできる。

制御部２０は、試料２６から発生したＣＡＲＳ光を含むパルス光ＰＧから、ＣＡＲＳ光の周波数成分を抽出する光検出信号処理を行うための部位である。制御部２０の内部に、あるいは外付けで、光変調器１４の駆動電圧を変えて位相変調を行うための電気信号を発生する信号発生器（シグナルジェネレータ）が設けられる場合もある。この場合制御部２０は、該信号発生器を制御して、光変調器１４を位相変調するための駆動電圧の波形制御等を行う。制御部２０は、一般的なパーソナル・コンピュータ等を用いて構成することができる。

反射鏡３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃは、光路を変換するためのミラーである。

つぎに、図３を参照して、本実施の形態に係る光変調器１４で行われる位相変調についてより具体的に説明する。

本実施の形態に係る光検出装置１０では、広帯域スペクトルの一部である狭帯域のパルス光ＰＢに対して、最も大きなスペクトル変化が得られる４つの位相を指定して位相変調を施す。本実施の形態では、４つの位相として直交する４つの位相、すなわち基準となる位相をθとした４つの位相、θ、θ＋π／２、θ＋π、θ＋３π／２を用いている。

つまり、図３（ａ）示すように、本実施の形態では、パルス光ＰＢの光の波形ＷＯの１周期に対して、基準位相位置Ｍ_０の位相０、位相位置Ｍ_１の位相π／２、位相位置Ｍ_２の位相π、位相位置Ｍ_３の位相３π／２で位相変調を行っている。

図３（ｂ）は、上記位相変調を行う際に光変調器１４に印加する駆動電圧波形の一例を示しており、同図に示すように、本実施の形態では階段状の駆動電圧波形を採用している。本実施の形態に係る光変調器１４はＬＮ変調器を採用しているため、当該光変調器の駆動信号として電圧信号を用いる。

図３（ｂ）において、Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２、およびＶ_３は、各々図３（ａ）の位相位置Ｍ_０、Ｍ_１、Ｍ_２およびＭ_３において印加する駆動電圧を示しており、したがって、各々、０、π／２、π、３π／２の位相変化をパルス光ＰＢに付与する。なお、図３（ｂ）に示されたＶ_πは、ＬＮ変調器の半波長電圧、すなわち光信号に対してπの位相変化を付与する駆動電圧を示している。また、本実施の形態に係る光検出装置１０では、各駆動電圧の周期Ｔを、一例として１ｍｓ（ミリ秒）としている。

なお、本実施の形態では、上記変調位相は４つの位相の相対的な関係（つまり、π／２の位相差）が維持されればよく、位相の絶対値は問題とならない。

本実施の形態に係る光検出装置１０では、上記光変調器１４の駆動電圧は図示しない信号発生器から供給され、また、該信号発生器で発生させる電圧の波形は制御部２０によって制御される。また、光変調器１４において施される位相変調に関する条件、たとえば、位相変調数、各位相位置の変調位相、各位相変調に適用する駆動電圧等は、制御部２０内に設けられた図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）あるいはＮＶＭ（Ｎｏｎ ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶手段に格納しておいてもよい。

また、本実施の形態では、光変調器１４に印加する駆動電圧の波形として階段状の波形を例示して説明したが、これに限られず、たとえば各々の駆動電圧（Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３）のピーク値を有するパルス状の波形としてもよい。

つぎに、図４および図５を参照して、上記パルス光ＰＡないしパルス光ＰＧのパルス波形およびスペクトルについて説明する。図４（ａ）ないし図４（ｄ）は、パルス光ＰＡないしパルス光ＰＤの各々のパルス波形（横軸が時間ｔであり、縦軸が光強度Ｉ）、およびスペクトル（横軸が波長λであり、縦軸が光強度Ｉ）を示している。また、図５（ａ）ないし図５（ｃ）は、パルス光ＰＥないしパルス光ＰＧの各々のパルス波形、およびスペクトルを示している。

図４（ａ）に示すように、本実施の形態に係るパルス光ＰＡ（光源１２からの出射光）は、広帯域のスペクトルＳ１を有し、パルス幅がフェムト秒オーダーの超短パルスレーザ光である光パルスＰ１である。より具体的には、光源１２の一例として、中心波長が約８００ｎｍ、パルス幅がフェムト秒オーダー（たとえば、１０ｆｓ）、帯域幅が１００ｎｍ（１６００ｃｍ^−１）であるチタン・サファイアレーザを用いられる。

図４（ｂ）に示すように、パルス光ＰＡがバンドパスフィルタ２４でパルス光ＰＢとして透過、分波されると、狭帯域のスペクトルＳ２を有する光パルスＰ２となる。本実施の形態に係る光検出装置１０では、パルス光ＰＢの帯域幅は、たとえば約４ｎｍ（６０ｃｍ^−１）とされる。

図４（ｃ）は、パルス光ＰＢが光変調器１４によって複数の位相で変調され、パルス光ＰＣとして出力された状態を示している。図４（ｃ）に示すように、光パルスＰ３が複数の位相で位相変調されると、位相変調の数（本実施の形態では４つ）だけずれた位相で、後述の光強度Ｉの測定を行うことが可能となる。なお、光パルスＰ３のスペクトルＳ３は、光変調器１４での位相変調に起因するスペクトル上の微小な変動を除き、基本的に上記スペクトルＳ２と同じものである。

一方、図４（ｄ）は、バンドパスフィルタ２４で反射された後、分散調整部４０で分散補償されたパルス光ＰＤを示しており、パルス光ＰＤは、広帯域のスペクトルＳ４を有する光パルスＰ４で構成されている。図４（ｄ）に示すように、スペクトルＳ４は、スペクトルＳ１からスペクトルＳ３に相当する部分が減算されたスペクトルとなっている。

上記パルス光ＰＣとパルス光ＰＤとがバンドパスフィルタ２４で合波されると、図５（ａ）に示すように、スペクトルＳ５を有する光パルスＰ５および光パルスＰ６となる。これらの光パルスがパルス光ＰＥを構成している。光パルスＰ５がパルス光ＰＤに対応し、光パルスＰ６がパルス光ＰＣに対応している。なお、本実施の形態に係る光検出装置１０では、上記パルス光ＰＤが励起光として作用し、パルス光ＰＣがプローブ光として作用する。

パルス光ＰＥが試料２６に照射されると、図５（ｂ）に示すように、スペクトルＳ６およびＳ７を含む信号光がパルス光ＰＦとして発生する。スペクトルＳ７はＣＡＲＳ光に対応するスペクトルであり、スペクトルＳ６は主として励起光に対応するスペクトルである。また、図５（ｂ）に示すように、スペクトルＳ７には、スペクトルマーカーＳｍが含まれている。なお、図５（ｂ）では１つのスペクトルＳ７を示しているが、本実施の形態に係る光検出装置１０では広帯域光を用いて励起しているので、実際には同時に複数のＣＡＲＳ光が発生する。

本実施の形態において「スペクトルマーカー」とは、光変調器１４による位相変調に起因し、試料２６から発生したＣＡＲＳ光と非共鳴スペクトルとが干渉した結果発生する信号光のスペクトルの変動部分をいう。当該スペクトルの変動部分の変動形状はいわば正弦波状の形状をなしており、図４（ｃ）のようにパルス光ＰＢの位相をずらすと、その正弦波状の形状の位相が波長λ軸方向にずれる。本実施の形態においては、この変動部分、すなわちスペクトルマーカーをラマンシフトの標識として用いている。つまり、図５（ｂ）において点線で示したスペクトルＳ６に含まれるスペクトルＳ３の中心波長から、スペクトルマーカーＳｍ部の波長までの波長差Δλがラマンシフトに対応している。

このように、本実施の形態に係る光検出装置１０では、ＣＡＲＳ光を含む狭帯域成分をマーキングすることにより、周波数分解能を向上させている。なお、図５（ｂ）では１つのスペクトルマーカーＳｍについて示しているが、実際には複数のＣＡＲＳ光に対応して複数のスペクトルマーカーＳｍが発生する。

パルス光ＰＦがショートパスフィルタ２８を通過すると、図５（ｃ）に示すように、主として励起光のスペクトルであるスペクトルＳ６の所定部分が除かれて、スペクトルマーカーＳｍを有するＣＡＲＳ光のスペクトルＳ８が主として抽出される。実際には、上述した非共鳴バックグラウンドのスペクトルもスペクトルＳ８の周囲に発生しており、これらのスペクトルの一部も同時にショートパスフィルタ２８を通過する。

つぎに、図６を参照して、本実施の形態に係る光検出装置１０で実行される光検出処理について説明する。図６は、本実施の形態に係る光検出処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

本実施の形態に係る光検出装置１０では、図６に示す処理は、制御部２０等を介して光検出の開始を指示することで、制御部２０内に備えられた図示しないＣＰＵがＲＯＭ等の記憶手段に記憶された光検出処理プログラムを読み込み、実行することによりなされる。

また、本実施の形態では、本光検出処理プログラムをＲＯＭ等の記憶手段に予め記憶させておく形態を例示して説明するが、これに限られない。たとえば、本光検出処理プログラムがコンピュータにより読み取り可能な可搬型の記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線または無線による通信手段を介して配信される形態等を適用してもよい。

さらに、本実施の形態では、本光検出処理を、プログラムを実行することによるコンピュータを利用したソフトウエア構成により実現しているが、これに限らない。たとえば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を採用したハードウエア構成や、ハードウエア構成とソフトウエア構成の組み合わせによって実現してもよい。

図６に示すように、まずステップＳ１００で、制御部２０内に設けられた図示しないＲＯＭあるいはＮＶＭ等の記憶手段から、光変調器１４における位相変調条件（変調位相数、各変調位置での変調位相、各位相変調に適用する駆動電圧等）を読み込む。

つぎのステップＳ１０２では、ステップＳ１００で読み込んだ位相変調条件に基づいて、変調位相数Ｎ（本実施の形態では、Ｎ＝４）を設定し、つぎのステップＳ１０４では、図示しない信号発生器に対し光変調器１４を駆動するための駆動電圧、駆動波形等の設定を行う。

つぎのステップＳ１０６では、変調位相数Ｎのカウンタであるｉを１にセットする。

つぎのステップＳ１０８では、光変調器１４によって位相θ（ｉ）における位相変調を実行し、つぎのステップＳ１１０で、位相θ（ｉ）で変調した場合の光強度Ｉ（ｉ）を取得する。

つぎのステップＳ１１２では、カウンタｉがＮより大きいか否かを判定し、当該判定が否定判定となった場合には、ステップＳ１１４でカウンタｉを１インクリメントしてステップＳ１０８に戻り、位相θ（ｉ＋１）での位相変調を継続する。

一方、ステップＳ１１２で肯定判定となった場合には、ステップＳ１１６に移行し、各位相θ（ｉ）で変調して取得した光強度Ｉ（ｉ）に基づいて、ＣＡＲＳ光のスペクトルを抽出する光検出信号処理を行う。ＣＡＲＳ光のスペクトルを抽出する本光検出信号処理は、光変調器１４での位相変調と同期させて行う。本光検出信号処理の詳細については後述する。

ステップＳ１１８では、ステップＳ１１６で行った光検出信号処理の結果得られたスペクトルを表示し、その後本光検出処理プログラムを終了する。

ところで、本実施の形態に係る光検出装置１０では、試料２６に照射する照射光として励起光とプローブ光を用いているが、図７を参照し、励起光とプローブ光との波形の重なりの影響について説明する。図７（ａ）は、励起光パルスＰｅとプローブ光パルスＰｐとが重ならないように、励起光パルスＰｅに対するプローブ光パルスＰｐの遅延時間τ_Ｌを長くした場合の図である。一方、図７（ｂ）は、励起光パルスＰｅとプローブ光パルスＰｐとが一部重なるように遅延時間τ_Ｓを短くした場合の図である。

上述したように、従来技術においてはＣＡＲＳ光（ＣＡＲＳ信号）の相対位相の情報を欠いているので、基本的に励起光パルスＰｅとプローブ光パルスＰｐとを図７（ａ）にように、十分離隔させて配置する必要がある。これは、図７（ｂ）示すように励起光パルスＰｅとプローブ光パルスＰｐとが近づくと、位相変調されたプローブ光パルスＰｐが、励起光パルスＰｅによって誘起された瞬時的な屈折率変化による変調を受けるため、非共鳴光スペクトル全体が振動するような振る舞いを示すことによる。非共鳴スペクトルがこのような振る舞いを示す状態では正しいスペクトルを測定できないため、従来技術においてはスペクトル全体の振動が抑制されるような遅延時間τ_Ｌを与えることでこの問題を回避していた。

しかしながら、図７（ａ）に示すような励起光パルスＰｅとプローブ光パルスＰｐの配置では、緩和時間の速い振動ほどＣＡＲＳ信号のスペクトラム強度を取得しにくくなる。
つまり、振動の緩和時間が速い物質の検出が困難になる。

そこで、本実施の形態では、光検出装置１０で取得した非共鳴光の４位相変調時の強度変動から、励起光とプローブ光の相対位相差（光路長）の基準値（基準位相）を検出している。そして、該基準位相に４位相の出力波形を揃えることで、複素非線形感受率χ(3)の実部(入射強度と同相の屈折率変調)と、虚部(入射強度に対しπ/2だけ位相がシフトするラマン分子振動)を分離する。上述したように、この分離された虚部からＣＡＲＳスペクトルが取得される。

励起光のスペクトル位相と非共鳴光のスペクトル位相との間には１対１の対応関係があり、理想的なフーリエ限界パルスによって発生する非共鳴光の位相はスペクトル全域にわたって原理的にゼロとなる。このとき、パルス励起でラマン光が発生していない周波数（波長）領域でのスペクトル位相のオフセット量が、光路長変動由来の相対位相になっていると考えられる。

つまり、このスペクトル位相のオフセット量を求めることにより励起光とプローブ光の相対位相差の基準値である基準位相が検出可能であることを、本発明者らは見出した。そして、このようにして求めた基準位相を直交４位相法に適用し、励起光パルスＰｅとプローブ光パルスＰｐとが時間的に重なっていても正確なＣＡＲＳ信号の取得が可能となり、またより測定の感度も向上することがわかった。

つぎに、図８ないし図１０を参照して、本実施の形態に係る光検出信号処理についてより詳細に説明する。本実施の形態に係る光検出信号処理は、直交４位相法を用いて非共鳴背景光（ＮＲＢ）と共鳴ＣＡＲＳ光とを分離し、ＣＡＲＳ光を抽出する処理である。以下の説明では、試料の一例としてＤＭＳＯ（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ：ジメチルスルホキシド）を用い、波数８００ｃｍ^−１よりも高周波側の比較的小さなラマンピークを分離対象とした場合について説明する。

図８は、励起光パルスＰｅに対するプローブ光パルスＰｐの遅延時間τを０ｐｓから３．２ｐｓまで０．２ｐｓステップで変えて散乱スペクトルを測定し、従来技術に係る直交４位相法の信号処理を施して取得した強度スペクトルである。ただし、図８では、強度スペクトルが最大になる遅延時間を遅延時間の基準、すなわちτ＝０とし、測定した散乱スペクトルのうちの５点について図示している。

遅延時間τ＝０における状態は、励起光とプローブ光との時間的な重なりが最も大きくなっている状態である。この状態では、励起光の広帯域超短パルスで発生したＮＲＢにもプローブ光の位相変調がかかるためＮＲＢもＣＡＲＳ光と同様に変調される。ＮＲＢの光強度はＣＡＲＳ光の光強度よりも桁違いに大きいため、遅延時間τ＝０ではほぼＮＲＢの形状のスペクトルが得られており、ＣＡＲＳ光成分をはっきりと識別するのは困難である。すなわち、ＣＡＲＳ光成分がＮＲＢ成分に埋没しており、このような状態ではＣＡＲＳ光成分を検出することは困難である。

そこで、本実施の形態に係る光検出信号処理では、ラマン感受率の虚部が受ける位相変調はＮＲＢに対してπ／２だけずれていることに注目し、ＮＲＢとＣＡＲＳ光とを分離する。その原理を以下に示す。

まず、ＮＲＢの電場Ｅ_ＬＯ、およびＣＡＲＳ光による電場Ｅ_ＡＳを各々以下に示す（式１）および（式２）のように表わす。


ここで、Ｅ_ｐｕｍｐはＣＡＲＳ過程のうちの励起光、ストークス光を兼ねた広帯域の励起光パルスＰｅによる電場であり、Ｅ_{ｐｒｏｂｅ}は狭帯域のプローブ光パルスＰｐによる電場である。また、

は各々、非共鳴過程の３次非線形感受率、ラマン過程の３次非線形感受率である。

検出されるスペクトル強度Ｉｄは、ＮＲＢの電場Ｅ_ＬＯとＣＡＲＳ光による電場Ｅ_ＡＳとが干渉したときの強度であるから、以下に示す（式３）のように表わせる。

ただし、Ｒｅ（ｆ）はｆの実部を表わし、Ｉｍ（ｆ）はｆの虚部を表わしている。また、

は複素数として扱う。一方、

は物質の振動に非共鳴な電場成分に対する感受率なので実部のみとして扱う。

また、θは入射電場（励起光による電場）とＮＲＢの電場との位相差で決まる基準となる位相角、すなわち基準位相である。φはプローブ光の位相変調による位相の変化分である。（式３）に示すスペクトル強度Ｉｄのうち、クロスターム項である第２項が、非共鳴過程とラマン過程の感受率が分離されている部分である。したがって、この項を計算により算出する。

簡単のため、（式３）をプローブ光の変調位相φに同期しない項Ｉ_ｎｍｏｄと、同期する項Ｉ_ｍｏｄ（φ）に分けて表記すると、以下に示す（式４）ないし（式６）のように表わすことができる。

つぎに、プローブ光に与える変調位相φの関数であるＩ_ｍｏｄ（φ）について、変調位相φをπ／２ずつ変えて測定した４つのスペクトル強度は、以下に示す（式７）で表わせる。

（式７）で示す４つのスペクトル強度のうち、位相がπだけ異なるスペクトル強度の差分をとると、以下に示す（式８）のように表わせる。



ここで、α＝ｔａｎ^−１（Ｃ／Ｂ）であり、このαがラマン散乱による位相の変化分を表わしている。

（式８）より、以下に示す（式９）が得られる。

すなわち、（式９）から、入射電場とＮＲＢの電場との位相差θを含む位相角を求めることができる。

さらに、（式８）の２つの式の振幅部分Ｋは、以下に示す（式１０）のように求めることができる。

ここで、（式７）に示す４つのスペクトルの平均値Ｉ_{ｄ，ａｖｅ}は、以下に示す（式１１）のように表わせる。

すると、（式１０）および（式１１）から、以下に示す（式１２）が得られる。

本実施の形態における測定条件では、｜Ｅ_ｐｕｍｐ｜＞＞｜Ｅ_{ｐｒｏｂｅ}｜（励起光の電場の振幅はプローブ光の電場の振幅より十分に大きい）とみなせるので、（式１２）は以下に示す（式１３）のように表わせる。

小さなラマンピーク、あるいは十分希釈した試料におけるラマンピークについては、

とみなせることから、以下に示す（式１４）、（式１５）が得られる。

（式１４）に基づき（式９）においてα＝０とすると、（式９）による演算結果はθのみとなり、基準位相の位相角の値が得られる。一方、ラマンピークとなる波数においては（式９）による演算結果はθ＋αとなるが、基準位相の位相角θを除くことにより、ラマン散乱による位相の変化分であるαのみが得られる。また、複素非線形感受率χ(3)の虚部、すなわち、ＣＡＲＳ光の強度スペクトルは（式１５）を用いて算出することができる。

つぎに、図９および図１０を参照して、上記光検出信号処理についてより具体的に説明する。図９は、本光検出信号処理の各処理過程における強度スペクトルを示し、図１０は、本光検出信号処理によって抽出されたＣＡＲＳスペクトルを、従来技術に係る光検出信号処理によって抽出されたＣＡＲＳスペクトルと比較して示す図である。なお、図９および図１０では、試料としてＤＭＳＯを用いている。

図９（ａ）は、プローブ光に与える変調位相をπ／２ずつ変え、直交する４つの変調位相を用いて測定した４つの強度スペクトルであり、上記光検出信号処理における（式７）を用いて信号処理し取得したものである。１ショット（撮影）あたりの露光時間は１７ｍｓ（ミリ秒）とし、各強度スペクトルにおいて２５ショット分積算している。

図９（ｂ）は、（式８）によって演算処理した差スペクトル、ΔＩ_ｉｎｐおよびΔＩ_ｑｕａｄを示している。

図９（ｃ）は、（式９）によって演算処理した位相角のスペクトルである。図９（ｃ）におけるベースラインＢＬが基準位相の位相角θである。また、図９（ｃ）に示す波数１４００ｃｍ^−１付近のスペクトルピークＰＫ１、波数１０００ｃｍ^−１付近のスペクトルピークＰＫ２、ＰＫ３がラマン散乱によるピークを示している。なお、本実施の形態では、入射光（図２に示すパルス光ＰＤ）が試料２６の位置でフーリエ限界パルスとなるように分散調整部４０によって分散補償を行っているため、ラマン感受率による位相のシフト分θは０．９５ｒａｄとし、この値を一定のオフセット値とし測定された位相スペクトルから差し引いて図９（ｃ）を作成した。

図９（ｄ）は、図９（ｃ）に示す位相スペクトルを用いて（式１５）の関係から求めたラマン感受率の虚数成分、すなわちＣＡＲＳ光の強度スペクトルＣＳを示している。図９（ｄ）には、ＮＲＢの強度スペクトルＮＳを併せて示している。強度スペクトルＣＳには、ラマン散乱によるスペクトルピークＰＫ１、ＰＫ２、ＰＫ３が現れている。

図１０は、本光検出信号処理によって検出したＣＡＲＳスペクトルＳｎを、従来技術に係る光検出信号処理によって検出したＣＡＲＳスペクトルＳｏと比較して示した図である。

図１０（ａ）は、遅延時間τをτ＝１．０ｐｓとし、強度スペクトルの目視によって同程度のＳ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が得られるＣＡＲＳスペクトルＳｎとＣＡＲＳスペクトルＳｏとを比較して示した図である。ＣＡＲＳスペクトルＳｎは各変調位相（０、π／２、π、３π／２）で２５ショット分を積算して取得したスペクトルである。一方、ＣＡＲＳスペクトルＳｏは各変調位相で１２５０ショット分を積算して取得したスペクトルである。図１０（ａ）に示すグラフから、ＣＡＲＳスペクトルＳｏでは、ＣＡＲＳスペクトルＳｎと同程度のＳ／Ｎ比を得ようとした場合、５０（１２５０ショット／２５ショット）倍の時間がかかることがわかる。すなわち、本実施の形態に係る光検出装置１０は、従来技術に係る光検出装置と比較して測定時間を１／５０に短縮している。

換言すると、Ｓ／Ｎ比は測定時間（積算数）の平方根に比例するので、ＣＡＲＳスペクトルＳｎとＣＡＲＳスペクトルＳｏとを同じ時間で測定した結果を比較した場合には、Ｓ／Ｎ比が約７（５０の平方根）倍改善するといえる。図１０（ｂ）は、積算数を同じ２５ショットとして（測定時間を同じとして）得られた強度スペクトルについて演算処理し取得したＣＡＲＳスペクトルＳｎと、ＣＡＲＳスペクトルＳｏとを比較して示した図である。図１０（ｂ）では強度スペクトルの形状を比較するために、ノイズレベルが同程度となるように信号強度を規格化して表示している。図１０（ｂ）から明らかなように、従来技術に係る光検出信号処理により取得したＣＡＲＳスペクトルＳｏでは、ラマンピークが確認できなかった。

つぎに、図１１および図１２を参照して、本実施の形態に係る光検出装置１０の実施例について、一部従来技術による結果と比較しながら説明する。図１１および図１２は、分光器１６、受光部１８を介して取得された各条件におけるスペクトルを示している。

図１１、および図１２に示す実施例では、本実施の形態に係る光検出装置１０、従来技術に係る光検出装置ともに、以下の条件で実施している。なお、励起光、プローブ光の波長は中心波長で示している。
（１）励起光パルスＰｅ（図２に示すパルス光ＰＤ）：チタン・サファイアレーザ、
中心波長＝８００ｎｍ
帯域幅＝１３０ｎｍ
（２）プローブ光パルスＰｐ（図２に示すパルス光ＰＢ）
中心波長＝７７９．６５ｎｍ
帯域幅＝１ｎｍ
（３）励起光パルスＰｅに対するプローブ光パルスＰｐの遅延時間τ
τ＝０．２ｐｓ
ただし、τ＝０の基準は非共鳴スペクトルが最大となる遅延時間としている。
（４）ＳＬＭ５０への入力パターン
試料２６上でフーリエ変換限界パルスになるように分散調整部４０の、特にＳＬＭ５０への入力パターンが調整される。また、調整時の試料２６上のパルスの位相の状態はＭＩＩＰＳ（Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ Ｉｎｔｅｒｐｕｌｓｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｃａｎ）法などの位相測定法を用いて測定される場合もある。
（５）試料：ＤＭＳＯ原液を滴下したプレパラート

図１１（ａ）は、上記条件で設定した図２に示す光検出装置１０の分光器１６、受光部１８を介して観測した非共鳴スペクトルを示している。図１１（ａ）に示すように、何も演算処理を施すことなく散乱光の強度スペクトルを観測してもＣＡＲＳ光は分離できない。なお、図１１（ａ）において、波数２５０ｃｍ^−１から４００ｃｍ^−１にかけて平坦にはっているのは、測定系の飽和によるものである。

図１１（ｂ）は従来技術に係る直交４位相法により演算処理を施した強度スペクトルを示している。図１１（ｂ）に示すように、従来技術に係る直交４位相法でもＣＡＲＳ信号を分離できていない。これは、上述したように、励起光パルスＰｅに対するプローブ光パルスＰｐの遅延時間τが０．２ｐｓと小さいために、励起光パルスＰｅが誘起した瞬時的な屈折率の変化（つまり、複素非線形感受率χ(3)の変化）によって変調され、非共鳴光スペクトル全体が振動することによる。換言すれば、背景光が揺れていることによる。

一方、図１２は、取得した直交４位相のスペクトルに対し本実施の形態に係る光検出信号処理を施した各強度スペクトルを示している。すなわち、図１２（ａ）は位相スペクトルを、図１２（ｂ）は複素非線形感受率χ(3)の実数成分の強度スペクトルを、図１２（ｃ）は複素非線形感受率χ(3)の虚数成分の強度スペクトル、すなわち非共鳴スペクトルから分離されたＤＭＳＯのＣＡＲＳスペクトルを各々示している。

図１２（ａ）を参照して、まず基準位相の抽出手順について説明する。
手順１：直交４位相スペクトルから、Ｘ（変調位相０、πにおける強度スペクトルの差分）、およびＹ（変調位相π／２、３π／２における強度スペク卜ルの差分）を用いて位相角−ｔａｎ^−１（Ｙ／Ｘ）のプロファイル（位相プロファイル、上記（式９）に対応）を演算する。ここで、位相角に負号がつくのは、直交４位相の極性とラマン遅延応答方向の極性との相対関係によるものである。
手順２：得られた位相プロファイルから位相角がほぼ一定の部分、すなわちベースラインＢＬを抽出し、これを基準位相とする。ベースラインＢＬの抽出においては、たとえば強度が最頻値となる位相角、すなわち位相角のヒストグラムがピークとなる位相角をベースラインＢＬとしてもよい。

図１２（ａ）に示すように、本実施例では、ベースラインが約−１９°（０．９５ｒａｄ）となった。なお、図１２（ａ）に示す波数７００ｃｍ^−１付近のスペクトルピークＦＲはラマン成分による位相変動を示している。

つぎに、基準位相の抽出に続けて実行される、ラマンスペクトルを抽出するための光検出信号処理手順について説明する。
手順３：基準位相に相当する分のオフセットを補償して、励起光の位相を基準とした真の位相角を求める。
手順４：従来技術に係る直交４位相法のアルゴリズムによって、位相変調による変動成分の振幅の絶対値を求める。
手順５：手順４で求めた振幅の絶対値と、手順３で求めた真の位相角とに基づいて、散乱スペクトル（複素非線形感受率χ(3)）の実数成分と虚数成分を抽出する。

図１２（ｂ）及び（ｃ）は、手順５による処理の結果を示している。図１２（ｂ）は複素非線形感受率χ(3)の実数成分のスペクトルを示しており、上述したように励起光と同位相の非線形屈折率変化の成分を示している。したがって、図１２（ｂ）示すスペクトルにはラマン散乱に関する情報は含まれていない。一方、図１２（ｃ）は励起光とπ／２だけ位相がシフトしたラマンスペクトルの成分を示している。図１２（ｃ）に示すスペクトルピークＳＲがＣＡＲＳ光によるスペクトル成分、すなわちＤＭＳＯに固有の分子振動のＣＡＲＳ光スペクトルを示している。このように、本実施の形態に係る光検出装置、および光検出方法によれば、ラマン散乱に寄与するスペクトルだけを正確に分離、抽出することが可能である。

なお、上記実施例では遅延時間τをτ＝０．２ｐｓに設定した場合を例示して説明したが、遅延時間τは検出対象物質の緩和時間等を考慮した上で特に制限なく設定することが可能であり、また、例えば励起光パルスＰｅ、プローブ光パルスＰｐの波形等の条件によっては負値であってもよい。一方で、遅延時間τはゼロ、又は予め定められた許容範囲でゼロに近い値とした方が計算誤差が少ないことが本発明者らによって明らかにされている。上記の実施例で遅延時間τ＝０．２ｐｓにおいて良好な検出結果が得られていることから、０．２ｐｓという値はその予め定められた範囲の一例となっている。

以上詳述したように、本実施の形態に係る光検出装置、光検出方法および光検出プログラムによれば、簡易な構成で、微弱光を高速、高感度に検出可能な光検出装置、光検出方法および光検出プログラムを提供することができる。

なお、上記実施の形態では、本実施の形態に係る光検出信号処理が従来技術に係る光検出信号処理とは無関係に行われる形態を例示したが、これに限られない。両者を組み合わせ、例えば、まず従来技術に係る光検出信号処理を行い、ＣＡＲＳ光の強度スペクトルを大まかに検出したのち、本実施の形態に係る光検出信号処理を行って、さらに正確なＣＡＲＳ光の波数、強度等について検出する形態としてもよい。

また、図１２（ａ）で説明したベースラインＢＬの検出において、ＣＡＲＳ光の存在しない波数領域のうねりが大きく、ベースラインＢＬの特定が困難な場合には、例えば測定系に起因する変動分を予め求めておき、該変動分を補正しておいてもよい。

１０ 光検出装置
１２ 光源
１４ 光変調器
１６ 分光器
１８ 受光部
２０ 制御部
２４ バンドパスフィルタ
２６ 試料
２８ ショートパスフィルタ
３０、３２ 対物レンズ
３４ 可動ミラー
３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ 反射鏡
４０ 分散調整部
４２ 変調部
４４ アイソレータ
４６ 回折格子
４８ 反射鏡
５０ ＳＬＭ
５２ 凹面鏡
５４ ハーフミラー
８０ ラマン分光装置
８２ 第１レーザパルス光源
８４ 第２レーザパルス光源
８６ 光学系
８８ 試料
ＦＲ スペクトルピーク
ＰＡ〜ＰＧ パルス光
Ｐｅ 励起光パルス
Ｐｐ プローブ光パルス
ＰＫ１、ＰＫ２、ＰＫ３ スペクトルピーク
Ｓｍ スペクトルマーカー
ＳＣ、ＳＮ、ＳＰ スペクトル
ＳＲ スペクトルピーク
ＮＳ、ＣＳ 強度スペクトル
Ｓｎ、Ｓｏ ＣＡＲＳスペクトル
τ、τ_Ｌ、τ_Ｓ 遅延時間

Claims (10)

1. 第１の帯域を有する第１のパルス光を発生する第１のレーザ光源と、
   前記第１の帯域より狭い第２の帯域を有する第２のパルス光を発生する第２のレーザ光源と、
   前記第２のパルス光を複数の位相で変調するとともに前記第１のパルス光に対し０を含む予め定められた時間だけ遅延させ複数の位相変調パルス光として出力する位相変調部と、
   前記第１のパルス光と前記複数の位相変調パルス光とを合波し合波パルス光として出力する合波部と、
   前記合波パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光し受光する受光部と、
   前記受光部で受光された前記散乱光の周波数スペクトルから特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部であって、前記複数の位相変調パルスに同期する複数の周波数スペクトルから前記第１のパルス光と前記第２のパルス光の位相差を基準位相として取得するとともに前記基準位相を用いて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部と、
   を含む光検出装置。
2. 前記予め定められた時間が前記第２のパルス光のパルス幅より小さい
   請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記第１のパルス光の分散を補償し前記第１のパルス光をフーリエ限界パルスに近似したパルスとする分散補償部をさらに含む
   請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
4. 前記検出部は、前記散乱光の位相スペクトルにおいて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルが存在しない周波数領域の位相のオフセット値を前記基準位相として取得する 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光検出装置。
5. 前記第１のレーザ光源は超短パルスレーザを用いた光源であり、
   前記第２のレーザ光源は前記第１のレーザ光源の出力を分岐するとともに帯域を制限して構成された
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光検出装置。
6. 前記第１のパルス光を励起光とし、前記複数の位相変調パルス光をプローブ光とし、
   前記散乱光の周波数スペクトルがコヒーレントアンチストークスラマン散乱光の周波数スペクトルである
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光検出装置。
7. 前記検出部は、前記複数の周波数スペクトルの位相を前記基準位相に揃えることにより前記散乱光の周波数スペクトルに基づいて取得される複素非線形感受率の実部と虚部とを分離し前記虚部を用いて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する
   請求項６に記載の光検出装置。
8. 前記複数の位相が直交する４つの位相であり、前記４つの位相のうち位相がπだけ異なる位相変調パルスに同期する周波数スペクトルの差分の一方をＸ、他方をＹとした場合、前記検出部は、前記基準位相を、式−ｔａｎ^−１（Ｙ／Ｘ）の算出結果から取得する
   請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の光検出装置。
9. 第１の帯域を有する第１のパルス光を発生する第１のレーザ光源と、前記第１の帯域より狭い第２の帯域を有する第２のパルス光を発生する第２のレーザ光源と、前記第２のパルス光を複数の位相で変調するとともに前記第１のパルス光に対し０を含む予め定められた時間だけ遅延させ複数の位相変調パルス光として出力する位相変調部と、前記第１のパルス光と前記複数の位相変調パルス光とを合波し合波パルス光として出力する合波部と、前記合波パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光し受光する受光部と、前記受光部で受光された前記散乱光の周波数スペクトルから特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部と、を含む光検出装置を用いた光検出方法であって、
   前記検出部により、前記複数の位相変調パルスに同期する複数の周波数スペクトルから前記第１のパルス光と前記第２のパルス光の位相差を基準位相として取得するとともに前記基準位相を用いて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する
   光検出方法。
10. 第１の帯域を有する第１のパルス光を発生する第１のレーザ光源と、前記第１の帯域より狭い第２の帯域を有する第２のパルス光を発生する第２のレーザ光源と、前記第２のパルス光を複数の位相で変調するとともに前記第１のパルス光に対し０を含む予め定められた時間だけ遅延させ複数の位相変調パルス光として出力する位相変調部と、前記第１のパルス光と前記複数の位相変調パルス光とを合波し合波パルス光として出力する合波部と、前記合波パルス光が対象物に照射されて発生した散乱光を分光し受光する受光部と、を含む光検出装置を制御するための光検出プログラムであって、
    コンピュータを、
    前記受光部で受光された前記散乱光の周波数スペクトルから特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部であって、前記複数の位相変調パルスに同期する複数の周波数スペクトルから前記第１のパルス光と前記第２のパルス光の位相差を基準位相として取得するとともに前記基準位相を用いて前記特定の物質に起因する周波数スペクトルを検出する検出部
    として機能させるための光検出プログラム。