JP2018091833A

JP2018091833A - ノイズ低減装置およびそれを有する検出装置

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Publication number: JP2018091833A
Application number: JP2017208430A
Authority: JP
Inventors: 小原　直樹; Naoki Obara; 直樹小原
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Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-06-14
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Also published as: JP7000117B2

Abstract

【課題】少ない光量損失で広い周波数帯域のノイズを低減するノイズ低減装置を提供すること。【解決手段】ノイズ低減装置は、第１のパルス光２１と第２のパルス光２２とを出力する第１の遅延合波手段と、第１のパルス光２１を２つに分波して第３のパルス光２３と第４のパルス光２４とを出力し第２のパルス光２２を２つに分波して第５のパルス光２５と第６のパルス光２６とを出力する第２の遅延合波手段と、を有し、第１のパルス光２１と第２のパルス光２２の光強度の比が１：１であり、第３のパルス光２３と第４のパルス光２４の間の光強度の比が１：３であり、第５のパルス光２５と第６のパルス光２６の間の光強度の比が３：１である。【選択図】図１

Description

本発明は、ノイズ低減装置に関し、特に、誘導ラマン散乱顕微鏡等の検出装置などに用いられるノイズ低減装置に関する。

近年、自発ラマン散乱検出装置よりも検出時間を短縮可能な装置として、非線形光学過程を利用したラマン散乱検出装置が提案されている。特許文献１には、非線形ラマン散乱検出装置として、誘導ラマン散乱（ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）顕微鏡が記載されている。このＳＲＳ顕微鏡によれば、互いに光周波数（波長）が異なる２色のパルス光を試料に照射し、生じたパルス光の強度変化をロックイン検出してＳＲＳ信号を取得することで、試料に含まれる分子の同定や区別を行うことができる。

また、特許文献１に記載のＳＲＳ顕微鏡においては、２色のパルス光のうち一方の光路を２つに分割させて、一方に時間遅延を与えてから合波することにより、パルス光の強度ノイズを低減している。

特許文献２のノイズ低減装置は、２分割でなく複数に分割したパルス光に特定の遅延と強度比を与えることで、遅延時間に応じた特定の周波数を中心により広い周波数帯域でノイズ低減している。

特許第５６２３６５２ＷＯ／２０１６／０７９８４５

ＳＲＳ信号を高速に計測する場合、ロックイン検出により取得する信号の周波数帯域は広くなる。しかしながら、特許文献１に記載の構成では、ノイズを低減できる周波数帯域が限られており、広帯域に渡って十分にノイズを低減することが困難である。特許文献２は、その課題を解決すべく複数に遅延させたパルス光を合波させるが、複数に分割させたパルス光を顕微鏡で利用できるように同軸に合波する（又はシングルモードファイバに導光する）際には一般に光量の損失が生じるという課題がある。光量の損失は信号の低下となり、検出する信号のＳＮ比を低下させる（特許文献２では信号の低下以上のノイズ低減によりＳＮ比を向上させている）。例えば、誘導ラマン散乱（及びその信号）は試料に入射する２つのパルス光の強度の積に比例して発生する。

本発明の例示的な目的は、少ない光量損失で広い周波数帯域のノイズを低減するノイズ低減装置を提供することである。

上記目的を達成するための、本発明の一側面としてのノイズ低減装置は、第１の周期のパルス光のノイズを低減するノイズ低減装置であって、前記第１の周期のパルス光を２つに分波してその分波した２つのパルス光の間に第１の遅延時間を付与して合波することで、第１の方向に偏光した第１のパルス光と、前記第１の方向に直交する方向に偏光し且つ前記第１のパルス光に対して前記第１の遅延時間だけ遅延した第２のパルス光と、を出力する第１の遅延合波手段と、前記第１のパルス光を２つに分波してその分波した２つのパルス光の間に第２の遅延時間を付与して合波することで、第２の方向に偏光した第３のパルス光と、前記第２の方向に直交する方向に偏光し且つ前記第３のパルス光に対して前記第２の遅延時間だけ遅延した第４のパルス光と、を出力し、前記第２のパルス光を２つに分波してその分波した２つのパルス光の間に前記第２の遅延時間を付与して合波することで、前記第２の方向に偏光した第５のパルス光と、前記第２の方向に直交する方向に偏光し且つ前記第５のパルス光に対して前記第２の遅延時間だけ遅延した第６のパルス光と、を出力する、第２の遅延合波手段と、を有し、前記第１のパルス光と前記第２のパルス光の光強度の比が１：１であり、前記第３のパルス光と前記第４のパルス光の光強度の比が１：３であり、前記第５のパルス光と前記第６のパルス光の光強度の比が３：１であり、前記第１の遅延時間と前記第２の遅延時間の比が１：２又は２：１であることを特徴とする。本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。

本発明によれば、少ない光量損失で広い周波数帯域のノイズを低減するノイズ低減装置を提供することが可能である。

ノイズ低減装置の構成例（第１の実施形態）を説明する模式図である。パルス光の偏光方向を示す図である。（ａ）入射パルス光の時間プロファイルである。（ｂ）パルス光２１及び２２の時間プロファイルである。（ｃ）パルス光２３、２４、２５及び２６の時間プロファイルである。ノイズ低減率を示す図である（特許文献２の図３）。ノイズ低減装置の構成例（第２の実施形態）を説明する模式図である。実施例１のＳＲＳ顕微鏡の概念図である。実施例１のＳＲＳ顕微鏡の光パルス列の時間プロファイルを示す図である。実施例２のＳＲＳ顕微鏡の概念図である。実施例２のＳＲＳ顕微鏡の光パルス列の時間プロファイルを示す図である。実施例３のＳＲＳ顕微鏡の概念図である。実施例３のＳＲＳ顕微鏡の光パルス列の時間プロファイルを示す図である。

（第１の実施形態）
本実施形態のノイズ低減装置１００を添付の図面に基づいて説明する。図１は、ノイズ低減装置１００の構成を示す模式図である。ノイズ低減装置１００は、偏光ビームスプリッタを利用した２つの遅延合波光路により、パルスレーザなどの光源が発するパルス光に含まれる特定の周波数近傍のノイズを低減する。本実施形態では、入射パルス光を少ない光量損失（光学素子による反射率や透過率による損失以外には無損失）で、等時間間隔で光強度の比が１：３：３：１のパルス列を生成する。

入射パルス光２０は、偏光ビームスプリッタ１により光強度（パルスエネルギー）の等しいパルス光２１（第１のパルス光）とパルス光２２（第２のパルス光）に分割（分波）される。偏光ビームスプリッタは直交する２方向の直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に入射光を分割するため、入射パルス光２０が偏光している場合は、偏光方向が４５度となるように不図示の偏光調整部により偏光方向を回転させる。例えば、半波長板を用いて図１の紙面方向と紙面に垂直の方向で電場の振幅（又は光強度）が等しくなるよう調整する。また、入射パルス光２０を発生させる光源（例えばパルスレーザ）を調整してもよいし、偏光ビームスプリッタを含む遅延合波光路を光軸周りに回転させてもよい。

パルス光２１とパルス光２２は異なる光路を経由し、偏光ビームスプリッタ２により同軸に合波される。偏光ビームスプリッタ１及び２の間の光路長は、ミラー３及び４を利用して、パルス光２１に比べパルス光２２の方がΔＬ大きくしてある。結果、合波後にパルス光２２はパルス光２１に対してτ（＝ΔＬ／ｃ、ｃは光速）だけ遅れる。

合波したパルス光は、偏光方向を６０度回すために偏光調整部５を透過させる。パルス光の偏光方向を６０度回転させるのは、図２に示すよう偏光ビームスプリッタ６により分割する光強度の比を１：３（電場の絶対値の比で１：√３）にするためである。図２において、縦軸は、偏光ビームスプリッタの偏光分離面に平行かつ光軸に直交する方向（Ｓ偏光方向）であり、横軸は、Ｓ偏光方向及び光軸に直交する方向（Ｐ偏光方向）である。偏光ビームスプリッタ２をＰ偏光として透過したパルス光２１は、光強度の比が１：３であるパルス光２３（第３のパルス光）とパルス光２４（第４のパルス光）に分割される。

パルス光２３とパルス光２４は異なる光路を経由し、偏光ビームスプリッタ７により同軸に合波される。偏光ビームスプリッタ６及び７の間の光路長は、ミラー８及び９を利用して、パルス光２３に比べパルス光２４の方が２ΔＬ大きくしてある。結果、合波後にパルス光２４はパルス光２３に対して２τ（＝２ΔＬ／ｃ、ｃは光速）だけ遅れる。つまり、偏光ビームスプリッタ１及び２を含む第１の遅延合波光路により付与する遅延時間（第１の遅延時間）と、偏光ビームスプリッタ６及び７を含む第２の遅延合波光路により付与する遅延時間（第２の遅延時間）の比は１：２となるよう配置する。

次に、パルス光２１に対してτだけ遅れて到達するパルス光２２について考察する。パルス光２２は、パルス光２１と同様に偏光調整部５により偏光方向が６０度回転する。図２からも分かるよう、偏光方向を回転させた後もパルス光２１に対してパルス光２２は直交している。よって、偏光ビームスプリッタ２をＳ偏光として反射したパルス光２２は、偏光ビームスプリッタ６により、光強度比が３：１であるパルス光２５（第５のパルス光）とパルス光２６（第６のパルス光）に分割される。

パルス光２５とパルス光２６は異なる光路を経由し、偏光ビームスプリッタ７により同軸に合波される。パルス光２５はパルス光２３と同じ光路を通過し、パルス光２６はパルス光２４と同じ光路を通過する。パルス光２１を分割した際は、光強度の小さいパルス光２３は短い光路を通過したが、パルス光２２の分割では、光強度の小さいパルス光２６は長い光路を通過する。さらに、第１及び第２の遅延合波光路の遅延時間の比を１：２としたことから、等時間間隔で光強度の比が１：３：３：１のパルス光が偏光ビームスプリッタ７から射出される。

この様子を図３のパルス光の時間プロファイルで説明する。（ａ）が示す入射パルス光が第１の遅延合波光路によって（ｂ）で示すよう時間間隔τの２つのパルス光に分割される。さらに、第２の遅延合波光路によって、時間間隔τで光強度の比が１：３：３：１のパルス光に分割される。

図３（ａ）のパルス光は、実際はパルスレーザの共振器長などで決定される周波数で繰返し入射するため、入射するパルス１つ１つが図３（ｃ）のように４つに分割される。
ここで、光強度の比１：３：３：１によるノイズ低減について、説明する。ノイズ低減装置から出力されるパルス光に含まれるノイズは、周波数ｆの関数として式（１）のように表現できる（入射光の周波数ｆにおける単位周波数あたりのノイズパワーを１、各パルス光はそれぞれ時間的に重ならない、つまり干渉しないとする）。
｜１／８＋３ｅ^{（ｉ２πｆτ）}／８＋３ｅ^{（ｉ４πｆτ）}／８＋ｅ^{（ｉ６πｆτ）}／８｜
＝｛（１＋ｃｏｓ２πｆτ）／２｝^３／２式（１）

強度が１／８、３／８、３／８、１／８の４つのパルス光それぞれに対して周波数ｆと遅延時間τに応じた位相成分を導入し、各項の足し合わせの絶対値を取ることで、ノイズ低減装置のノイズ低減率を表現している。ｍを整数として、ｆ＝（２ｍ−１）／（２τ）の周波数においてノイズが完全にキャンセルされ、その近傍の周波数では式（１）に従ってノイズが低減される。周波数ｆｒ近傍の広範囲のノイズ低減を実現したい場合はｍ＝１として、τ＝１／（２・ｆｒ）となるよう、ノイズ低減装置を設定すればよい。

図４は、特許文献２の図３を引用したもので、パワー比を考慮した２，３，４，５分岐の場合のノイズ透過率スペクトルの比較であり、図中の４分岐のプロットがτ＝１２．５ナノ秒のときの式（１）の結果を示している。ノイズが完全にキャンセルされる４０ＭＨｚを中心に、４０ＭＨｚの周波数範囲で６割以上のノイズが低減できることを示している。光強度の比は厳密に、１：３：３：１である必要はない。たとえば、ひとつのパルス光が分割前の光強度の１０％増加し１：３．８：３：１となった場合、増加分のノイズはキャンセルされず図３で示したノイズ透過率における最小値はゼロでなく０．１となる。したがって、光強度の比が１：３：３：１からずれてもノイズ低減の効果はある。

偏光ビームスプリッタやハーフミラーを利用して、別光路を通過した３つ以上の光を同軸に合波する際、一般に光量の損失を伴う（つまり、偏光ビームスプリッタやハーフミラーによって出力したい方向以外の方向に出力する光が生じる）。

特許文献２では、偏光により２分割した光路において、さらに偏光で光路を分割することで、遅延時間と光強度を調整したパルス光を生成している。３分割の例では、まず、入射パルス光をパルス光Ａとパルス光Ｂに分割する。パルス光Ｂは、パルス光Ｃとパルス光Ｄに分割し、異なる光路長を介して偏光ビームスプリッタにより合波する。合波したパルス光Ｃとパルス光Ｄの偏光方向は直交している。このパルス光Ｃ及びパルス光Ｄを、パルス光Ａと合波することでノイズ低減を実現するが、その際にパルス光Ｃ及びパルス光Ｄは、偏光ビームスプリッタにより１方向の偏光として出力される。つまり、直交する２方向の２つのパルス光から１方向の２つのパルス光を生成することとなる。結果として、パルス光Ｃ及びパルス光Ｄは、入射する光量の半分のみをパルス光Ａと合波して出力することとなる。この光量の損失は、パルスレーザなどの光源の出力パワーに制約がある場合や、光量をできるだけ上げて信号のＳＮ比を向上させたい場合などに望ましくない。

本実施形態は、広い周波数帯域におけるノイズ低減を実現するだけでなく、２分割の遅延合波手段を直列に配置することで合波時の光量損失がない（ただし、偏光ビームスプリッタの透過率・反射率による損失は除く）。

本実施形態における偏光調整部５には、例えば半波長板が利用できる。半波長板の角度は、進相軸又は遅相軸に対するパルス光２１の偏光方向の角度が３０度となるよう設定する。また、半波長板の角度は、パルス光２２とパルス光２４を遮光することで評価したパルス光２３の光強度とパルス光２２とパルス光２３を遮光することで評価したパルス光２４の光強度の比が１：３となるよう調整してもよい。また、ノイズ低減装置１００の出力光をスペクトルアナライザなどで評価し、ノイズが最も低減されるよう半波長板の角度を調整してもよい。偏光調整部５は、偏光方向を回転させることができればよく、半波長板以外にもフレネルロム波長板などを利用することもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、偏光ビームスプリッタ１及び６は、光強度の比が１：１で２方向に光を分割するハーフミラーに置き換えることが可能である。この場合、分割した光は同じ偏光方向を有するため、偏光ビームスプリッタで光量損失なく合波するには分割した一方の光路に偏光方向を９０°回すための素子（例えば半波長板）をさらに導入すればよい。

また、第１の遅延時間をτ、第２の遅延時間を２τとして説明したが、第１の遅延時間を２τ、第２の遅延時間をτとしても同様のノイズ低減装置を構成することができる。この場合も、等時間間隔で光強度の比が１：３：３：１のパルス光が生成される（偏光方向の並び順が変わるのみ）ため、ノイズ低減の性能は変わらない。

（第２の実施形態）
本実施形態のノイズ低減装置２００を添付の図面に基づいて説明する。図５は、ノイズ低減装置２００の構成を説明する模式図である。第１の実施形態同様、２つの遅延合波光路を用いて、少ない光量損失（光学素子による反射率や透過率による損失以外には無損失）で、等時間間隔で光強度比が１：３：３：１のパルス列を生成する。

遅延合波光路を構成するため、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１１、１２、１６、１７を利用し、２つの遅延合波光路により、パルスレーザなどの光源が発するパルス光に含まれる特定の周波数近傍のノイズを低減する。

入射パルス光２０は、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１１により光強度（パルスエネルギー）の等しいパルス光２１（第１のパルス光）とパルス光２２（第２のパルス光）に分割し、それぞれ偏波保持ファイバ１３及び１４に導光する。等しい光強度に分割するためには、入射パルス光２０の偏光方向は、偏波保持ファイバのＦａｓｔ軸とＳｌｏｗ軸それぞれで等しい光強度を持つように設定する。偏光方向は偏光コントローラを用いて調整してもよいし、コリメータで偏波保持ファイバに導光する前の偏光を半波長板などで調整してもよい。

パルス光２１とパルス光２２は異なる偏波保持ファイバを経由し、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１２により１つの偏波保持ファイバ中に導光される。偏波保持ファイバ１３に比べて、偏波保持ファイバ１４は長さがΔＬ大きくしてある。結果、合波後にパルス光２２はパルス光２１に対してτ（＝ｎ・ΔＬ／ｃ、ｃは光速、ｎは光ファイバの群屈折率）だけ遅れる。

合波したパルス光は、偏光方向を６０度回すために偏光調整部１５を透過させる。パルス光の偏光方向を６０度回転させるのは、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１６により分割する光強度の比を１：３（電場の絶対値の比で１：√３）にするためである。
光強度の比１：３で分割されたパルス光２３（第３のパルス光）及び２４（第４のパルス光）は、それぞれ偏波保持ファイバ１８及び１９を経由し、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１７により１つの偏波保持ファイバに導光し、出力される。

偏波保持ファイバ１８に比べて、偏波保持ファイバ１９は長さが２ΔＬ大きくしてある。結果、合波後にパルス光２４はパルス光２３に対して２τ（＝２ｎΔＬ／ｃ、ｃは光速、ｎは光ファイバの群屈折率）だけ遅れる。つまり、第１の遅延合波光路による遅延時間（第１の遅延時間）と、第２の遅延合波光路による遅延時間（第２の遅延時間）の比は１：２となるよう配置する。第１の遅延合波光路は、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１１及び１２で構成され、第２の遅延合波光路は、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１６及び１７で構成される。

次に、パルス光２１に対してτ遅れて到達するパルス光２２についても、第１の実施形態同様に、光強度比が３：１であるパルス光２５（第５のパルス光）とパルス光２６（第６のパルス光）に分割される。最終的に、等時間間隔で光強度の比が１：３：３：１のパルス光がファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１７から出力される。

パルス光の時間プロファイルやノイズ低減の効果に関しては、図３及び図４を用いて第１の実施形態において説明した内容と同様である。

本実施形態における偏光調整部５には、例えばバルク型やパドル型の偏波コントローラが利用できる。また、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１２の出力光ファイバと、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１６の入力光ファイバを融着する際に、お互いのＦａｓｔ軸（又はＳｌｏｗ軸）を６０度ずらして融着して融着箇所を偏光調整部５としてもよい。その融着箇所で、ファイバ中を伝搬する光の偏光方向を変化させることができる。ファイバの融着角度は、融着前にファイバを近接させた状態で通過したパルス光２３及び２４の光強度の比が１：３（又はパルス光２５及び２６の光強度の比が３：１）となるよう微調整することもできる。また、ノイズ低減装置２００の出力光をスペクトルアナライザなどで評価し、ノイズが最も低減されるよう融着角度を微調整してもよい。

例えば、ファイバタイプの偏光ビームスプリッタ１１及び１６は、入力光を光強度の比１：１で分割しそれぞれを２つの偏波保持ファイバに導光する分岐カプラに置き換えることが可能である。この場合、分割した光は同じ偏光方向を有するので、光量損失なく合波するには分割した一方のファイバ中に偏光方向を９０°回すための素子をさらに導入すればよい。例えば、偏波コントローラをさらに導入するか、ファイバ中にＦａｓｔ軸とＳｌｏｗ軸を合わせて融着させた融着部を持たせればよい。

本発明を適用した検出装置に関して、図６を用いて説明をする。例として、ＳＲＳ（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：誘導ラマン散乱）顕微鏡を示す。ＳＲＳ顕微鏡は、異なる波長の２つの光を同時に試料に照射することで発生するＳＲＳを検出するものである。ＳＲＳは、非線形光学現象の１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。そのため、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試料上の同一地点に同時に照射させる。ＳＲＳが発生すると、２つの波長のパルス光のうち、波長が短い方のパルス光の強度が弱まり、波長が長い方のパルス光の強度が強まる。また、ＳＲＳを効率よく発生させ、かつ十分なラマンスペクトルの分解能を持たせるには、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を感度良く検出するには、２つのパルス光の周期を１：２で同期させ、一方のパルス光においてパルスごとにＳＲＳ信号が含まれるような状態を作る。２つのパルス光のパルス周期の大きい方に対応した周波数（レーザの繰返し周波数）をロックイン周波数とするロックインアンプにより、このＳＲＳ信号を取得することができる。本実施例のノイズ低減装置は、このロックイン周波数近傍の広い周波数領域でノイズを低減することで、ＳＲＳ信号の取得を高感度化する。

パルスレーザ５０１（第１の生成手段）およびパルスレーザ５０２（第２の生成手段）として、パルス周期が１：２の光パルス列を利用する。パルスレーザ５０１として中心波長８００ナノメートル、パルス周期（第１の周期）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ＭａｉＴａｉを利用する。パルスレーザ５０２としては、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。

ＳＲＳ信号は２５ナノ秒周期で生じるため、ロックイン周波数４０ＭＨｚの近傍で最も広い周波数範囲でノイズを低減するには、ノイズ低減装置で分割するパルス光の時間間隔は１２．５ナノ秒とすればよい。この時間間隔を作るには、ノイズ低減装置２００の第１の遅延合波手段におけるファイバの長さの差は、２．５メートルとすればよい（光速を３×１０^８メートル毎秒、光ファイバの群屈折率を１．５とした）。また、第２の遅延合波手段におけるファイバの長さの差は５メートルとすればよい。

ロックイン周波数におけるノイズをキャンセルするには、パルス光の時間間隔は、（１２．５＋２５・ｍ）ナノ秒としてもよい（ｍは０以上の整数）。しかし、ｍが大きいほどノイズ低減できる周波数範囲が狭くなる上に、ノイズ低減装置の光ファイバの長さを長くせねばならないため、メリットはない。

図７（ａ）はパルスレーザ５０１が生成する光パルス列３１を表す。個々のパルスには数ピコ秒の広がりを持つが、図では光強度に比例した長さの線として表現している。光パルス列３１は、ノイズ低減装置２００に入射することで、図７（ｂ）で示すような時間プロファイルを持つ光パルス列３３が生成される。連接するパルス光と時間的に重なって干渉を起こすことのないよう、ノイズ低減装置２００における遅延時間は、１２．５ナノ秒からわずかにずらしている。１２．５ナノ秒からのずれ量は、パルス幅以上であればよく、１０〜数１０ピコ秒ずらせばよい（図７では誇張している）。この程度のずれであれば、ノイズ低減率への影響はわずかである。

図７（ｃ）はパルスレーザ５０２が生成する光パルス列３２を表す。光パルス列３３の波長（λ１）は、光パルス列３２の波長（λ２）より小さいとする。光パルス列３３と光パルス列３２のパルスが、図７（ｂ）および図７（ｃ）で示される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パルス光の強度が変化する。波長の小さい光パルス列３３はＳＲＳが発生したときに光強度が小さくなる。図７（ｄ）は、ＳＲＳによって変化した光パルス列３３の光強度を示している。ＳＲＳにより光強度が減少したためマイナス値を示している。変化量は誇張して図示したものであり、実際はもとのパルスの光強度の１０^−４程度と微小な量であるためロックイン検出を行う。

ロックイン検出した光強度の変化量は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／λ１−ｃ／λ２）が一致したとき、ＳＲＳ信号が大きくなる。ｃは光速である。波長選択フィルタ５０３によりλ２を変更することで（ｃ／λ１−ｃ／λ２）を変化させながら、ＳＲＳ信号を取得することができる。つまり、ラマンスペクトルを取得できる。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。

波長選択フィルタは、回折格子などの分光素子を利用して、パルスレーザ５０２が生成した光の波長の範囲（１０３０ナノメートルを中心に４０ナノメートル程度）から、０．３ナノメートル程度の幅で任意の波長領域を選択して切り出す。波長選択フィルタが出力するパルス光は、時間幅が０．３ナノメートル幅に相当した時間幅に変化するが、時間プロファイル（繰返し周波数）は波長選択フィルタを通過した後も維持される。

波長選択フィルタ５０３を通過した光パルス列３３は、ミラー５０４で進行方向を変化させた後、ダイクロイックミラー５０５で、光パルス列３２と同軸に合波される。光パルス列３２は合波するために、コリメータレンズ５０６により平行光として射出される。

ＳＲＳ顕微鏡はレーザ走査顕微鏡の構成をしている。光パルス列３２及び３３は同軸でビームスキャナ５０７に入射し、ビームスキャナ５０７により偏向して出射する。ビームスキャナ５０７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５０７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。

ビームスキャナ５０７で偏向された光ビームは、不図示のリレーレンズを通して対物レンズ５０８に入射する。対物レンズ５０８により、試料５０９上の同一地点に光パルス列３２及び３３を照射させる。対物レンズ５０８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、開口数（ＮＡ）の大きい対物レンズが望ましい。

試料５０９は、図示していない数１０〜２００マイクロメートルの厚みのカバーガラスにより挟まれている。ビームスキャナ５０７による光ビームの偏向により、試料５０９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。

コンデンサレンズ５１０は、試料５０９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５０８のＮＡと同等以上のＮＡの対物レンズまたはコンデンサレンズとする。コンデンサレンズ５１０を出射した光ビームはフィルタ５１１と不図示のリレーレンズを透過した後、フォトダイオード（検出器）５１２の受光面に照射される。フィルタ５１１は、誘電体多層膜で構成され、波長λ２の光を遮断させ、波長λ１の光を透過させる。フォトダイオード５１２には、ＳＲＳによる強度変調された光パルス列３２が照射される。フォトダイオード５１２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。

光パルス列３２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５１３は、フォトダイオード５１２で発生した電流信号に含まれる大きな８０ＭＨｚ成分を減衰させつつ微弱な４０ＭＨｚ成分を増幅して、電圧として出力するためのフィルタ回路および増幅回路である。

同期検波回路（例えば、ロックインアンプ）５１４は、ミキサを利用した電子回路である。同期検波回路５１４は、電流電圧変換回路５１３が出力する電圧信号に含まれるパルスレーザ５０２の繰返し周波数４０ＭＨｚに同期した成分を抽出し、電圧として出力する。同期検波回路５１４の出力電圧は、試料５０９における集光点でＳＲＳがどの程度起きたかを示す。

計算機５１５は、ビームスキャナ５０７の制御信号を利用し、同期検波回路５１４の出力信号（ＳＲＳ信号）を２次元画像化し、表示する。計算機５１５は、図示しないステージで試料５０９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、計算機５１５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。

ノイズ低減装置２００により、光パルス列３２に含まれる４０ＭＨｚ近傍のノイズは広い周波数帯域で低減されているため、毎秒１０メガサンプリング以上の信号取得を行っても高感度を維持できる。つまり、原理的に発生するショットノイズでリミットされる性能を有することができる。また、ノイズ低減装置２００は光量の損失が少ないため、従来よりも大きな光強度で試料５０９を照射することできる。結果、ＳＲＳ信号が向上し検出装置を高感度化することができる。

本発明を適用した検出装置に関して、図８を用いて説明をする。実施例１と同様に、ＳＲＳ顕微鏡を例とする。実施例１と重複する部分の説明は省く。

実施例１では２つのパルスレーザが生成するパルス光は、不図示のパルス同期装置によりパルス周期が１：２と同期されている。本実施例では、１台のパルスレーザでＳＲＳ顕微鏡を構成する。つまり、パルス同期装置を利用しない構成例を示す。

パルスレーザ５０１が生成する光パルス列をハーフミラー５２１で２分割し、一方は実施例１と同様に光パルス列３１としてノイズ低減装置２００に入力させる。もう一方は、波長変換手段５２２（第２の生成手段）で波長を変化させる。波長変更手段として、例えばｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（ＯＰＯ）が利用できる。ＯＰＯにより波長を変化させることで、実施例１と同様にラマンスペクトルが取得可能である。

図９（ａ）は、光パルス列３１の時間プロファイルであり、図９（ｃ）はＯＰＯにより波長を変化させた光パルス列３４である。光パルス列３１及び３４は、ともに繰返し周波数は８０ＭＨｚであるため、ＳＲＳも８０ＭＨｚで発生する。実施例１と同様に、ロックイン検出によりＳＲＳ信号を検出しようにも、光パルス列の強度そのものを評価してしまい、感度良くＳＲＳを検出することができない。

そこで、この光パルス列の強度の８０ＭＨｚ成分を、本実施例のノイズ低減装置により減少させることで、ＳＲＳ信号をロックイン検出することができる。

８０ＭＨｚのノイズを低減させるには、ノイズ低減装置２００で分割するパルス光の時間間隔を６．２５ナノ秒とすればよい。この時間間隔を作るには、ノイズ低減装置２００の第１の遅延合波手段におけるファイバの長さの差は、１．２５メートルとすればよい（光速を３×１０^８メートル毎秒、光ファイバの群屈折率を１．５とした）。また、第２の遅延合波手段におけるファイバの長さの差は２．５メートルとすればよい。

この操作は、光パルス列の繰返し周波数８０ＭＨｚを倍化（１６０ＭＨｚ化）することに対応するが、単純に２分割して倍化させるよりも、強度のばらつきを抑えることができる。この効果は、図４で示すノイズ低減率と同様であり、２分岐よりも４分岐の方がより強度のばらつきを抑えることができる。

ノイズ低減装置２００で分割するパルス光の時間間隔は、（６．２５＋１２．５・ｍ）ナノ秒としてもよい（ｍは０以上の整数）。しかし、ｍが大きいほどノイズ低減できる周波数範囲が狭くなる上に、ノイズ低減装置の光ファイバの長さを長くせねばならないため、メリットはない。

図９（ｂ）は、ノイズ低減装置２００で生成した光パルス列３５を示す。図９（ｄ）は、ＳＲＳにより変化した光パルス列３５の光強度である。ＳＲＳによる光強度の変化は、パルスレーザ５０１が生成するパルス光の繰返し周波数８０ＭＨｚをロックイン周波数とするロックインアンプで検出することができる。検出方法は、ロックイン周波数を除いて実施例１と同様である。

本発明を適用した検出装置に関して、図１０を用いて説明をする。実施例１及び２と同様に、ＳＲＳ顕微鏡を例とする。実施例１と重複する部分の説明は省く。

実施例１では、パルスレーザ５０２が生成する繰返し周波数をロックイン周波数として、ＳＲＳ信号をロックイン検出している。実施例１では、パルスレーザ５０１が生成する繰返し周波数をロックイン周波数として、ＳＲＳ信号をロックイン検出している。

本実施例では、外部変調器を用いて任意の周波数でパルス光を変調させることで、ＳＲＳの発生を変調させ、ＳＲＳ信号をロックイン検出する例を示す。

実施例２と同様にパルスレーザは１台であり、ハーフミラー５２１で２分割した一方は波長変換手段５２２（第３の生成手段）を通して波長を変化させる。波長変換手段５２２が出力する光パルス列３４は、変調手段５２３により光パルス列３４に含まれるパルス光の光路長か光強度か偏光方向のいずれかを変調させる。試料における２つのパルス光のタイミングがずれるとＳＲＳ信号は低下するため、パルス光の光路長を変調させるとＳＲＳ信号は同調して変化する。ＳＲＳは２つのパルス光の強度の積に比例して発生するため、一方のパルス光の光強度を変調させるとＳＲＳ信号は同調して変化する。ＳＲＳ信号は２つのパルス光の偏光を一致させた際に最も大きくなるため、偏光方向を変調させるとＳＲＳ信号は同調して変化する。

つまり、パルス光を変調させる周波数をロックイン周波数としたロックイン検出で、ＳＲＳ信号を検出することができる。変調周波数は任意であるが、高周波数であるほどｆ分の１ノイズなどの光源ノイズの影響を受けにくく、またロックインアンプで取得できる信号帯域を広げることができる。変調手段５２３としては、ポッケルスセルなどの電気光学素子を利用して構成することができる。このロックイン検出によるＳＲＳ信号取得を高感度に行うために、本実施例のノイズ低減装置を適用することができる。

例として、変調手段５２３は、パルスレーザ５０１が生成するパルス光の繰返し周波数の４分の１の周波数で光強度を変調させる。変調手段５２３が出力するパルス光の時間プロファイルを図１１（ｃ）に示す。

図１１（ｄ）で示すようＳＲＳ信号は２０ＭＨｚで変調して発生するため、検出するパルス光に含まれる２０ＭＨｚ近傍のノイズを、本実施例のノイズ低減装置により減少させることで、信号検出を高感度化できる。

２０ＭＨｚのノイズを低減させるには、ノイズ低減装置２００で分割するパルス光の時間間隔を２５ナノ秒とすればよい。この時間間隔を作るには、ノイズ低減装置２００の第１の遅延合波手段におけるファイバの長さの差は、５メートルとすればよい（光速を３×１０^８メートル毎秒、光ファイバの群屈折率を１．５とした）。また、第２の遅延合波手段におけるファイバの長さの差は１０メートルとすればよい。

図１１（ａ）はノイズ低減装置２００へ入力する光パルス列３１の時間プロファイルであり、図１１（ｂ）はノイズ低減装置２００が出力する光パルス列３７の時間プロファイルである。ＳＲＳによる光強度の変化は、変調手段５２３によるパルス光の変調周波数２０ＭＨｚをロックイン周波数とするロックインアンプで検出することができる。検出方法は、ロックイン周波数を除いて実施例１と同様である。

パルスレーザが生成するパルス光のパルス周期のＮ倍（Ｎは１以上の整数）でパルス光を変調させる場合、ノイズ低減装置で生成する分割パルスの時間間隔はパルス周期のＮ／２とすればロックイン周波数近傍のノイズを低減させることができる。つまり、２つの遅延時間をパルス周期のＮ／２倍及びパルス周期のＮ倍とすればよい。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、ＣＡＲＳ（ｃｏｈｅｒｅｎｔａｎｔｉ−ＳｔｏｋｅｓＲａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）、多光子励起（特に、２光子励起）蛍光などの非線形光学現象により発生した光の検出する光学顕微鏡にも使用できる。また、多光子吸収（特に、２光子吸収）などの非線形光学現象により変調した光の検出にも使用できる。

また、以上の実施形態では、偏光調整部（５、１５）によって偏光方向を６０度回していた。しかし、２つの遅延合波光路を光軸周りに相対的に回転させることにより、その偏光調整部を省略しても良い。

なお、「第１のパルス光と第２のパルス光の強度の比が１：１」「第３のパルス光と第４のパルス光の強度の比が１：３」及び「第５のパルス光と第６のパルス光の強度の比が３：１」の表現は、厳密にその強度比を満たさない場合も含んでいる。具体的には、第３〜第６のうち少なくとも一つのパルス光が分割前の光強度の１０％増加又は１０％減少している場合にも本発明の効果を得ることができるため、それらの表現は、この場合も含んでいる。

また、「第１の遅延時間と第２の遅延時間の比が１：２又は２：１」の表現も、厳密にその時間比を満たさない場合も含んでいる。具体的には、第１の遅延時間τ_１と第２の遅延時間τ_２の比が１：２のときに｜τ_１−τ_２／２｜＜τ_１／６を満たす場合にも本発明の効果を得ることができる。また、第１の遅延時間τ_１と第２の遅延時間τ_２の比が２：１のときに｜τ_１／２−τ_２｜＜τ_２／６を満たす場合にも本発明の効果を得ることができる。そのため、その表現は、これらの場合も含んでいる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１、２、６、７偏光ビームスプリッタ
３、４、８、９ミラー
５偏光調整部
２０入射パルス光
２１第１のパルス光
２２第２のパルス光
２３第３のパルス光
２４第４のパルス光
２５第５のパルス光
２６第６のパルス光

Claims

第１の周期のパルス光のノイズを低減するノイズ低減装置であって、
前記第１の周期のパルス光を２つに分波してその分波した２つのパルス光の間に第１の遅延時間を付与して合波することで、第１の方向に偏光した第１のパルス光と、前記第１の方向に直交する方向に偏光し且つ前記第１のパルス光に対して前記第１の遅延時間だけ遅延した第２のパルス光と、を出力する第１の遅延合波手段と、
前記第１のパルス光を２つに分波してその分波した２つのパルス光の間に第２の遅延時間を付与して合波することで、第２の方向に偏光した第３のパルス光と、前記第２の方向に直交する方向に偏光し且つ前記第３のパルス光に対して前記第２の遅延時間だけ遅延した第４のパルス光と、を出力し、前記第２のパルス光を２つに分波してその分波した２つのパルス光の間に前記第２の遅延時間を付与して合波することで、前記第２の方向に偏光した第５のパルス光と、前記第２の方向に直交する方向に偏光し且つ前記第５のパルス光に対して前記第２の遅延時間だけ遅延した第６のパルス光と、を出力する、第２の遅延合波手段と、を有し、
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光の光強度の比が１：１であり、
前記第３のパルス光と前記第４のパルス光の光強度の比が１：３であり、
前記第５のパルス光と前記第６のパルス光の光強度の比が３：１であり、
前記第１の遅延時間と前記第２の遅延時間の比が１：２又は２：１であることを特徴とするノイズ低減装置。
前記第１のパルス光の偏光方向と前記第２のパルス光の偏光方向を調整する偏光調整部を有することを特徴とする請求項１に記載のノイズ低減装置。
前記第１の遅延合波手段は、偏光ビームスプリッタを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のノイズ低減装置。
前記第２の遅延合波手段は、偏光ビームスプリッタを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のノイズ低減装置。
前記第１の遅延合波手段は、偏波保持ファイバの長さの差により前記第１の遅延時間を付与することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のノイズ低減装置。
前記第２の遅延合波手段は、偏波保持ファイバの長さの差により前記第２の遅延時間を付与することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のノイズ低減装置。
前記第１の遅延合波手段と前記第２の遅延合波手段との間に偏波保持ファイバを有し、
前記偏波保持ファイバは、パルス光の偏光方向を変化させる融着箇所を有し、
前記偏光調整部は、前記融着箇所であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のノイズ低減装置。
前記第１の遅延時間及び前記第２の遅延時間のうち小さい方の遅延時間が前記第１の周期のＮ／２倍（Ｎは１以上の整数）であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のノイズ低減装置。
前記第１の周期のパルス光の偏光方向を調整する偏光調整部を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のノイズ低減装置。
前記第１の周期でパルス光を生成する第１の生成手段と、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のノイズ低減装置と、
前記ノイズ低減装置を介した前記パルス光を試料に照射する照射手段と、
前記試料からの光を検出する検出手段と、を有することを特徴とする検出装置。
第２の周期でパルス光を生成する第２の生成手段を有し、
前記照射手段は、前記ノイズ低減装置を介した前記第１の生成手段が生成したパルス光及び前記第２の生成手段が生成したパルス光を前記試料に照射し、
前記検出手段は、前記第２の周期で変調している光を検出することを特徴とする請求項１０に記載の検出装置。
前記第２の周期は前記第１の周期のＮ倍（Ｎは１以上の整数）であることを特徴とする請求項１１に記載の検出装置。
前記検出手段は、前記第２の周期に対応した周波数をロックイン周波数とするロックインアンプを有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の検出装置。
前記第１の周期でパルス光を生成する第３の生成手段と、
前記第３の生成手段が生成したパルス光の光路長、光強度、及び偏光方向の少なくともいずれかを前記第１の周期のＮ倍で変調する変調手段と、を有し、
前記照射手段は、前記ノイズ低減装置を介した前記第１の生成手段が生成したパルス光及び前記変調手段を介した前記第３の生成手段が生成したパルス光を前記試料に照射し、
前記検出手段は、前記第１の周期のＮ倍で変調している光を検出することを特徴とする請求項１０に記載の検出装置。
前記検出手段は、前記第１の周期のＮ倍に対応した周波数をロックイン周波数とするロックインアンプを有することを特徴とする請求項１４に記載の検出装置。
前記変調している光は、前記試料における２光子励起により発生した光、前記試料における多光子励起により発生した光、前記試料における非線形ラマン散乱により発生した光、前記試料における２光子吸収により強度変調した前記第１の生成手段が生成したパルス光、前記試料における多光子吸収により強度変調した前記第１の生成手段が生成したパルス光、又は前記試料における誘導ラマン散乱により強度変調した前記第１の生成手段が生成したパルス光であることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の検出装置。