JP2022029970A - 検出装置及び検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料から発生するラマン散乱光を効率良く検出する。【解決手段】検出装置１００は、広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＣと、広帯域スペクトルの帯域に含まれる一部の帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＤと、を生成する光生成部１０、第１パルス光ＰＣを空間変調して、第１パルス光ＰＣの断面上での複素振幅を奇関数プロファイルに変調する第１変調部３０、第１パルス光ＰＥ及び第２パルス光ＰＦを試料Ｓに照射することにより発生する散乱光ＰＨを受光して、散乱光ＰＨの断面内の中央部を検出する検出部６０を備える。試料Ｓで発生するＣＡＲＳ光の複素振幅が偶関数プロファイルを呈し、同時に発生するＮＢ光の複素振幅が奇関数プロファイルを呈することとなり、散乱光ＰＨの断面内の中央部を検出することによりＮＢ光から分離してＣＡＲＳ光を効率良く検出することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置及び検出方法に関する。

複数のパルス光を照射して試料から発せられるラマン散乱光、特に非線形光学過程により生じるコヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（ＣＡＲＳ）光を検出することにより、試料内の物質を分析する検出技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。斯かる検出技術では、試料に含まれる水によって発生する非共鳴バックグランド（ＮＢ）光がＣＡＲＳ光と同一の波長を有するため、ＣＡＲＳ光を高効率で検出するためにＮＢ光を十分に低減する必要がある。
特許文献１ 特許第６３８０９４１号明細書

本発明の第１の態様においては、試料で発生するラマン散乱光を検出する検出装置であって、広帯域スペクトルを有する第１パルス光と、この広帯域スペクトルの帯域より狭い帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光と、を生成する光生成部と、第１パルス光を空間変調して、第１パルス光の断面上での複素振幅を奇関数プロファイルに変調する第１変調部と、第１パルス光及び第２パルス光を試料に照射することにより発生する散乱光を受光して、散乱光の断面内の中央部を検出する検出部と、を備える検出装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、試料で発生するラマン散乱光を検出する検出方法であって、広帯域スペクトルを有する第１パルス光と、この広帯域スペクトルの帯域より狭い帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光と、を生成する段階と、第１パルス光を空間変調して、第１パルス光の断面上での複素振幅を奇関数プロファイルに変調する段階と、第１パルス光及び第２パルス光を試料に照射することにより発生する散乱光を受光して、散乱光の断面内の中央部を検出する段階と、を備える検出方法が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る検出装置の構成を示す。 第１位相マスクの構成を示す。 第１位相マスクに入射する変調前の第１パルス光及び第１位相マスクを透過して空間変調された変調後の第１パルス光の空間強度分布（上）及び複素振幅（下）を示す。 変調後の第１パルス光の空間強度分布を示す。 ＣＡＲＳ過程に関わる３つのパルス光の空間強度分布及び複素振幅を示す。 非共鳴バックグラウンドを生成する光学過程に関わる３つのパルス光の空間強度分布及び複素振幅を示す。 試料から出力されるＣＡＲＳ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）、集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）、及びスリット前におけるＣＡＲＳ光の複素振幅の関係を示す。 試料から出力されるＮＢ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）、集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）、及びスリット前におけるＮＢ光の複素振幅の関係を示す。 スリットに入射するＣＡＲＳ光の空間強度分布を示す。 スリットに入射するＮＢ光の空間強度分布を示す。 散乱光の検出信号の一例を示す。 本実施形態に係る検出方法のフローを示す。 変形例に係る検出装置の構成を示す。 第２位相マスクの構成を示す。 第２位相マスクに入射する変調前の第２パルス光及び第２位相マスクを透過して空間変調された変調後の第２パルス光の空間強度分布（上）及び複素振幅（下）を示す。 ＣＡＲＳ過程に関わる３つのパルス光の空間強度分布及び複素振幅を示す。 試料から出力されるＣＡＲＳ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）、集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）、及びスリット前におけるＣＡＲＳ光の複素振幅の関係を示す。 ＣＡＲＳ過程を示す。 ＮＢ過程を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る検出装置１００の構成を示す。検出装置１００は、試料Ｓで発生するラマン散乱光、特にコヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（ＣＡＲＳ）光を非共鳴バックグランド（ＮＢ）光から分離して検出するのに好適な装置であり、光生成部１０、第１分散補償部２０及び第２分散補償部３０、第１変調部４０及び第２変調部５０、駆動部７０、検出部６０、並びに制御部８０を備える。

ただし、ＣＡＲＳ過程は、図１２Ａのエネルギーダイヤグラムに示すように、分子の振動励起準位Ｓ_０を介した励起過程及び脱励起過程のシーケンスである。励起過程では、基底準位Ｌ１にある分子が角周波数ω_ｐ１（エネルギー（ｈ／２π）ω_ｐ１、ｈはプランク定数）を有する励起光（ポンプ光とも呼ばれる）を吸収することにより仮想準位Ｌ３に励起し、さらに角周波数ω_ｓ（エネルギー（ｈ／２π）ω_ｓ）を有するストークス光を吸収して同角周波数を有する光を誘導放出することにより振動励起準位Ｓ_０に脱励起する。ここで準位Ｌ３は仮想準位であることから、励起光及びストークス光のエネルギー差（角周波数差ω_ｐ１－ω_ｓ）が振動励起準位Ｓ_０のエネルギー（基底準位Ｌ１に対する角周波数Ω）に等しく、分子が励起光及びストークス光を同時に吸収する場合に、分子は振動励起準位Ｓ_０に共鳴的に遷移する。脱励起過程では、振動励起準位Ｓ_０にある分子がその寿命の時間内に角周波数ω_ｐ２（エネルギー（ｈ／２π）ω_ｐ２）を有する観察光（プローブ光とも呼ばれる）を吸収することにより仮想準位Ｌ４に励起し、これに伴って分子が基底準位Ｌ１に脱励起することにより角周波数ω_ｐ１－ω_ｓ＋ω_ｐ２（エネルギー（ｈ／２π）（ω_ｐ１－ω_ｓ＋ω_ｐ２））を有するＣＡＲＳ光を放出する。

なお、ＣＡＲＳ光は、励起光（ω_ｐ１）として使用するパルス光及びストークス光（ω_ｓ）として使用するパルス光の周波数差Δω＝ω_ｐ１－ω_ｓが分子の振動励起準位Ｓ_０の角周波数Ωに等しい場合に、強く発生する。なお、励起光（ω_ｐ１）として使用するパルス光と観察光（ω_ｐ２）として使用するパルス光とを共通のソース光から生成することで（すなわちω_ｐ１＝ω_ｐ２＝ω_ｐ）、角周波数２ω_ｐ－ω_ｓを有するＣＡＲＳ光が発生する。

また、ＮＢ過程は、図１２Ｂのエネルギーダイヤグラムに示すように、分子の振動励起準位Ｓ_０を介さない励起過程及び脱励起過程のシーケンスである。励起過程では、基底準位Ｌ１にある分子が角周波数ω_ｐ１を有する励起光を２つ吸収することにより仮想準位Ｌ３よりさらに高い仮想準位Ｌ５に励起する。脱励起過程では、仮想準位Ｌ５にある分子が角周波数ω_ｓを有するストークス光を吸収して同角周波数を有する光を誘導放出することにより仮想準位Ｌ６に脱励起するとともに、基底準位Ｌ１にさらに脱励起して角周波数２ω_ｐ１－ω_ｓを有するＮＢ光を放出する。仮想準位Ｌ５，Ｌ６はともに分子の実準位ではないことから、２つの励起光を吸収する励起過程並びにストークス光と同角周波数を有する光及びＮＢ光を放出する脱励起過程は同時に発生する。

光生成部１０は、試料Ｓに照射するパルス光ＰＧを生成するユニットである。パルス光ＰＧは、広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＥ及び広帯域スペクトルの帯域に含まれる一部の帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＦを含む。ＣＡＲＳ過程において、第１パルス光ＰＥは、励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）、第２パルス光ＰＦは、観察光（ω_ｐ２）の役割を果たす。光生成部１０は、光源１１、アイソレータ１２、ミラー１０ａ、ハーフミラー１０ｂ，１０ｃ、バンドパスフィルタ１３、ミラー１０ｄを含む。

光源１１は、パルス光ＰＧを生成するためのソース光ＰＡを生成する装置である。ソース光ＰＡは、広帯域スペクトルを有する。本実施形態では、光源１１の一例として、中心波長約８００ｎｍ、フェムト秒オーダー（例えば、１０ｆｓ）のパルス幅、及び帯域幅約１００ｎｍ（１６００ｃｍ^－１）を有する超短パルス光を生成するチタン・サファイアレーザを採用する。

アイソレータ１２は、光源１１から出射するソース光ＰＡを透過し、光源１１に向かう戻り光を遮断する部材である。アイソレータ１２は、必要に応じて設けられてよい。

ミラー１０ａは、全反射型のミラー素子であり、光源１１から発せられ、アイソレータ１２を介したソース光ＰＡをハーフミラー１０ｂに向けて反射する。

ハーフミラー１０ｂ，１０ｃは、入射光を透過し、戻り光を反射する半透過型のミラー素子である。ハーフミラー１０ｂは、ミラー１０ａから送られたソース光ＰＡを透過して第１分散補償部２０に送り、第１分散補償部２０により分散補償されて戻されるソース光ＰＢを反射してハーフミラー１０ｃに送る。ハーフミラー１０ｃは、ハーフミラー１０ｂから送られたソース光ＰＢを透過してバンドパスフィルタ１３に送り、バンドパスフィルタ１３からの戻り光（パルス光ＰＧ）を反射して検出部６０に送る。

バンドパスフィルタ１３は、ソース光ＰＢを第１パルス光ＰＣ及び第２パルス光ＰＤに分波するフィルタ素子である。バンドパスフィルタ１３は、ソース光ＰＢが有する広帯域スペクトルの帯域に含まれる一部の狭帯域において入射するソース光ＰＢを透過して狭帯域スペクトル（例えば、帯域幅約４ｎｍ（６０ｃｍ^－１））を有する第２パルス光ＰＤを生成し、その他の帯域において入射するソース光ＰＢを反射して広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＣを生成する。第１パルス光ＰＣは第１変調部４０（第１位相マスク４１）に送られ、第２パルス光ＰＤはミラー１０ｄを介して第２変調部５０に送られる。

また、バンドパスフィルタ１３は、第１変調部４０（位相マスク４１）及び第２分散補償部３０を介して戻る第１パルス光ＰＥを反射し、第２変調部５０から戻る第２パルス光ＰＦを透過し、それらを合波してパルス光ＰＧを生成し、これを検出部６０に向けて送る。なお、バンドパスフィルタ１３に代えて、例えばハーフミラー等の他の光学素子を用いて第１パルス光ＰＥ及び第２パルス光ＰＦを合波してもよい。

ミラー１０ｄは、全反射型のミラー素子であり、バンドパスフィルタ１３によりソース光ＰＢから分波された第２パルス光ＰＤを第２変調部５０に向けて反射するとともに、第２変調部５０から戻る第２パルス光ＰＦをバンドパスフィルタ１３に戻す。

第１分散補償部２０及び第２分散補償部３０は、それぞれ、ソース光ＰＡ及びパルス光ＰＣを波長毎に位相変調して分散を補償するユニットである。

第１分散補償部２０は、ソース光ＰＡの位相を疎変調するユニットであり、ミラー２０ａ、回折格子対２１、及びチャープミラー２２を含む。

ミラー２０ａは、全反射型のミラー素子であり、光生成部１０からハーフミラー１０ｂを透過して送られるソース光ＰＡを回折格子対２１に向けて反射し、回折格子対２１から戻るソース光ＰＢをハーフミラー１０ｂに向けて反射する。

回折格子対２１は、平行に配列された２つの透過型の回折格子を含む。回折格子対２１は、一方の回折格子によりソース光ＰＡを波長毎に拡散してビーム角を拡げ、他方の回折格子により平行光にコリメートする。それにより、ソース光ＰＡは、ビーム断面の一側に短波長成分、他側に長波長成分を含む波長空間分布を呈する。また、回折格子対２１は、チャープミラー２２から戻るソース光ＰＢを透過してそのビーム角を絞る。絞られたソース光ＰＢは、ミラー２０ａに送られる。なお、回折格子対２１に代えて一対のプリズムを使用してもよい。

チャープミラー２２は、ソース光ＰＡを群速度分散（ＧＶＤ）補償する光学素子であり、複数の誘電体コーティング層を積層して形成されている。ここで、複数の誘電体コーティング層は光の侵入深さに応じた厚さを有する、つまり入射面側に位置する誘電体コーティング層は薄く、入射面から深く離れて位置する誘電体コーティング層は厚く成形されている。それにより、ソース光ＰＡの短波長成分がチャープミラー２２の表面側で反射され、長波長成分がチャープミラー２２の深い位置で反射されることで、短波長成分をパルスの先頭側に、長波長成分をパルスの後方側に含むように逆チャープされたソース光ＰＢが生成される。

第２分散補償部３０は、ソース光ＰＢから分波された第１パルス光ＰＣの位相を微変調するユニットであり、回折格子３１、反射鏡３２、凹面鏡３３、及び空間光変調器（ＳＬＭ）３４を含む。

回折格子３１は、透過型の回折格子である。回折格子３１は、バンドパスフィルタ１３により分波され、第１変調部４０（位相マスク４１）を介した第１パルス光ＰＣを波長毎に拡散してビーム角を拡げる。また、回折格子３１は、ＳＬＭ３４により空間変調された第１パルス光ＰＥを収束してビーム角を絞り、バンドパスフィルタ１３に送る。

反射鏡３２は、例えばハーフミラーであってよい。反射鏡３２は、回折格子３１から送られる第１パルス光ＰＣを透過して凹面鏡３３に送り、凹面鏡３３から戻る第１パルス光ＰＣを反射してＳＬＭ３４に送る。また、反射鏡３２は、ＳＬＭ３４から戻る第１パルス光ＰＥを反射して凹面鏡３３に送り、凹面鏡３３から戻る第１パルス光ＰＥを透過して回折格子３１に送る。なお、反射鏡３２として、偏光ビームスプリッタ及び４分の１波長板を採用し、４分の１波長板により第１パルス光ＰＣ，ＰＤの偏光を操作して、偏光ビームスプリッタにより第１パルス光ＰＣ，ＰＤを反射又は透過するよう構成してもよい。

凹面鏡３３は、全反射型の凹面形状のミラー素子であり、回折格子３１によりビーム角が拡げられた第１パルス光ＰＣを反射して平行光にコリメートする。それにより第１パルス光ＰＣは、ビーム断面の一側に短波長成分、他側に長波長成分を含む波長空間分布を呈する。コリメートされた第１パルス光ＰＣは、反射鏡３２を介してＳＬＭ３４に送られる。また、凹面鏡３３は、ＳＬＭ３４から反射鏡３２を介して送られる第１パルス光ＰＥを反射してそのビーム角を絞る。絞られた第１パルス光ＰＥは反射鏡３２を介してバンドパスフィルタ１３に送られる。

ＳＬＭ３４は、受光面上に配列された複数のミラー素子を有し、それらの傾斜及び高さを駆動制御して入射光を受けることで、入射光の振幅、位相、偏光等を空間的及び時間的に変調する装置である。ＳＬＭ３４は、回折格子３１及び凹面鏡３３により空間的に広げられた第１パルス光ＰＣを受光面上で受ける。第１パルス光ＰＣは、前述のとおり波長空間分布を呈することで、波長成分毎に異なるミラー素子に入る。そこで、ＳＬＭ３４により、複数のミラー素子の傾斜及び高さをそれぞれ制御することで、波長成分毎に第１パルス光ＰＣの振幅及び位相を変調して、短波長成分をパルスの先頭側に、長波長成分をパルスの後方側に含むように逆チャープされた第１パルス光ＰＥを生成する。第１パルス光ＰＥは、反射鏡３２、凹面鏡３３、回折格子３１を介してバンドパスフィルタ１３に戻される。

パルス光ＰＧは、検出装置１００に含まれる屈折率の異なる各光学素子を介することで長波長成分が速く進み、短波長成分が遅く進むことによりパルスが拡がる。そこで、第１分散補償部２０及び第２分散補償部３０により、短波長成分をパルスの先頭側に、長波長成分をパルスの後方側に含まれるようにソース光ＰＡ及び第１パルス光ＰＣを逆チャープして分散補償することで、第１パルス光ＰＥは、試料Ｓに到達するまでに各光学素子を介してチャープされ、すべての波長成分が同時に試料Ｓに到達することとなる。

第１変調部４０は、第１パルス光ＰＣを空間変調して、第１パルス光ＰＣの断面上での複素振幅を奇関数プロファイルに変調するユニットである。本実施形態では、第１変調部４０は、第１位相マスク４１を含む。

図２Ａに、第１位相マスク４１の構成を示す。第１位相マスク４１は、一例として正面視円形状の入射面を有する。第１位相マスク４１は、複屈折結晶を用いて、結晶の光学軸（黒塗り矢印で示す）が入射面と平行になるように板状に成形することで構成される。ただし、結晶の光学軸は、左半部の左領域４１ａでは左右方向、右半部の右領域４１ｂでは上下方向に向けられている。そして、本実施形態では、結晶の厚さは、光学軸に平行な偏光を有する光が入射した場合にその位相をゼロ、光学軸に垂直な偏光を有する光が入射した場合にその位相をπシフトする厚さに定められている。第１位相マスク４１は、入射面上の左領域４１ａと右領域４１ｂとでそれぞれ異なる量、本実施形態ではそれぞれゼロ及びπだけ入射光の位相をシフトする。それにより、左右方向の偏光を有する光が入射した場合に、左領域４１ａに入射した部分に対して右領域４１ｂに入射した部分の位相がπシフトする（複素振幅が反転する）。

第１位相マスク４１は、図１に示すように、バンドパスフィルタ１３から第１分散補償部３０に向けて送られる第１パルス光ＰＣの光軸上で、対物レンズ６１ａ，６１ｂに対する瞳共役位置又はその近傍に配置される。第１パルス光ＰＣは、左右方向を向く直線偏光を有し、図２Ａに示すように、第１位相マスク４１の入射面上の中央下側に入射する、すなわち第１パルス光ＰＣの半部は入射面上の左領域４１ａ、残り半部は入射面上の右領域４１ｂに入射することで、左領域４１ａに入射する半部に対して右領域４１ｂに入射する残り半部の位相がπシフトする（複素振幅が反転する）。なお、第１分散補償部３０から戻る第１パルス光ＰＥは、第１位相マスク４１の外側を通る。

図２Ｂ及び図２Ｃに、それぞれ、第１位相マスク４１に入射する変調前の第１パルス光ＰＣ及び第１位相マスク４１を透過して空間変調された変調後の第１パルス光ＰＥの空間強度分布（複素振幅の絶対値の２乗）及び複素振幅（ビーム中心を通る軸上の振幅）、並びに第１パルス光ＰＥの空間強度分布（ビーム中心を通る軸上における複素振幅の絶対値の２乗）を示す。変調前の第１パルス光ＰＣの複素振幅は、断面中央で最大を示す偶関数プロファイルを呈するのに対して、変調後の第１パルス光ＰＥの複素振幅は、第１位相マスク４１を通ることで空間変調されて断面中央でゼロを示し、左に正のピーク及び右に負のピークを示す奇関数プロファイルを呈する。

なお、本実施形態に係る第１位相マスク４１では、入射面上の左領域４１ａと右領域４１ｂとでそれぞれゼロ及びπだけ入射光の位相をシフトするよう構成したが、これに代えて、それぞれゼロ及びπ／２だけ入射光の位相をシフトするよう構成してもよい。ただし、バンドパスフィルタ１３から送られる第１パルス光ＰＣも第１分散補償部３０から戻る第１パルス光ＰＥも第１位相マスク４１の中央を通るよう、第１位相マスク４１をバンドパスフィルタ１３と回折格子３１との間に配置するものとする。第１パルス光ＰＣ（ＰＤ）の半部は入射面上の左領域４１ａを介して往復し、残り半部は入射面上の右領域４１ｂを介して往復することで、左領域４１ａに入射する半部に対して右領域４１ｂに入射する残り半部の位相がπシフトする。

なお、本実施形態に係る第１位相マスク４１の構成は一例であり、第１パルス光ＰＣを空間的に変調して断面上の複素振幅を奇関数プロファイルに変調するものであれば、その構成及び製造方法は任意であってよい。

第２変調部５０は、第２パルス光ＰＤを時間的に変調して、第２パルス光ＰＦを第１パルス光ＰＥに対して遅延させるユニットであり、ミラー５０ａ、光変調器５１、及び可動ミラー５２を含む。

ミラー５０ａは、全反射型のミラー素子であり、光生成部１０から送られる第２パルス光ＰＤを光変調器５１に向けて反射するとともに、光変調器５１から戻る第２パルス光ＰＦをミラー１０ｄを介してバンドパスフィルタ１３に戻す。

光変調器５１は、一例として、電気光学効果により光の位相を変調するリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）電気光学変調器（ＥＯＭ）を採用する。光変調器５１は、第２パルス光ＰＤの位相を複数とおりに、特に直交四位相（０，π／２，π，３π／２）のそれぞれに変調する。それにより、直交四位相のそれぞれに変調された第２パルス光ＰＦを試料Ｓに照射し、それにより試料Ｓから発生する散乱光（それぞれの強度Ｉ_０，Ｉ_π／２，Ｉ_π，Ｉ_３π／２）を検出してヘテロダイン検出Ｉ＝√（（Ｉ_０－Ｉ_π）^２＋（Ｉ_π／２－Ｉ_３π／２）^２）することで、ＣＡＲＳ光をＥＢ光から分離して検出することが可能となる。

可動ミラー５２は、第２パルス光ＰＤの光軸方向に移動可能に配置された全反射型のミラー素子であり、光軸方向に駆動することで第１パルス光ＰＥに対する第２パルス光ＰＦの遅延量を疎調整して、第２パルス光ＰＦを光変調器５１に向けて反射する。

なお、光変調器５１に代えて、可動ミラー５２を駆動する駆動機構を設けてもよい。駆動機構を介して可動ミラー５２を第２パルス光ＰＤの光軸方向に駆動制御することで、第２パルス光ＰＤの光路長が伸縮し、第１パルス光ＰＥに対して遅延させることができる。

第２変調部５０により、第２パルス光ＰＦを第１パルス光ＰＥに対して遅延させることで、ＣＡＲＳ過程において第１パルス光ＰＥ（励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ））を入射することにより試料Ｓ内の分子を振動励起準位Ｓ_０に励起し、それから振動励起準位Ｓ_０の寿命の時間内で遅れて第２パルス光ＰＦ（観察光（ω_ｐ２））を入射することにより、ＥＢ光の発生を抑えつつＣＡＲＳ光を発生させることができる。

駆動部７０は、バンドパスフィルタ１３により第１パルス光ＰＥ及び第２パルス光ＰＦを合波したパルス光ＰＧ（その焦点又は光軸）に対して、試料Ｓを相対的に駆動するユニットであり、ステージ７１及び駆動装置７２を含む。

ステージ７１は、試料Ｓを支持して３次元方向、すなわちパルス光ＰＧの光軸に平行なＺ軸方向並びに光軸に直交するＸ軸及びＹ軸方向に移動可能に構成されている。

駆動装置７２は、例えばピエゾ素子を有し、制御部８０により制御されてステージ７１を３次元方向に駆動する。それにより、試料Ｓを、対物レンズ６１ａにより収束されるパルス光ＰＧの焦点に位置決めすることができる。また、試料Ｓをパルス光ＰＧの焦点に対して３次元方向に駆動（つまり、試料Ｓをスキャン）しつつ試料Ｓから発生するＣＡＲＳ光を検出することで、試料Ｓをイメージングすることもできる。

検出部６０は、バンドパスフィルタ１３により第１パルス光ＰＥ及び第２パルス光ＰＦを合波してなるパルス光ＰＧを試料Ｓに照射するとともに、それにより試料Ｓから発生する散乱光ＰＨ、すなわちＣＡＲＳ光を受光するユニットである。本実施形態に係る検出装置１００では、散乱光ＰＨの断面内の中央部が検出される。検出部６０は、対物レンズ６１ａ、対物レンズ６１ｂ、ミラー６０ａ、ショートパスフィルタ６２、レンズ６３、スリット６４ａ、及び分光器６４を含む。

対物レンズ６１ａは、パルス光ＰＧを試料Ｓに向けて集光するレンズ素子であり、試料Ｓを支持するステージ７１の上方に配置される。対物レンズ６１ａは、励起系対物レンズとも呼ばれる。対物レンズ６１ａによりパルス光ＰＧが試料に照射されることで、試料ＳからＣＡＲＳ光、その他ＥＢ光を含む散乱光ＰＨが発生する。

図３Ａに、ＣＡＲＳ過程に関わる３つのパルス光の空間強度分布及び複素振幅を示す。ＣＡＲＳ過程では、先述のとおり、基底準位Ｌ１にある分子が励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）を吸収することにより仮想準位Ｌ３を介して振動励起準位Ｓ_０に遷移し、さらに振動励起準位Ｓ_０にある分子がその寿命の時間内に観察光（ω_ｐ２）を吸収することに伴ってＣＡＲＳ光（ω_ｐ１－ω_ｓ＋ω_ｐ２）を放出して基底準位Ｌ１に遷移する。ここで、パルス光ＰＧに含まれる広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＥが励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）の役割を果たし、狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＦが観察光（ω_ｐ２）の役割を果たす。第１パルス光ＰＥの複素振幅は、第１変調部４０（第１位相マスク４１）により空間変調されて、断面中央でゼロを示し、左に正のピーク及び右に負のピークを示す奇関数プロファイルを呈するから、励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）の複素振幅も同様の奇関数プロファイルを呈する。一方、第２パルス光ＰＦの複素振幅は、空間変調されていないから、ソース光ＰＢと同様に断面中央で最大を示す偶関数プロファイルを呈し、観察光（ω_ｐ２）の複素振幅も同様の偶関数プロファイルを呈する。ＣＡＲＳ光の複素振幅は、励起光（ω_ｐ１）、ストークス光（ω_ｓ）、及び観察光（ω_ｐ２）の複素振幅の積で与えられるから、断面中央でゼロを示し、左右に正のピークを示す偶関数プロファイルを呈することとなる。

図３Ｂに、ＥＢ光を生成する光学過程に関わる３つのパルス光の空間強度分布及び複素振幅を示す。ＮＢ過程では、先述のとおり、基底準位Ｌ１にある分子が２つの励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）を吸収することに伴ってＮＢ光（２ω_ｐ１－ω_ｓ）を放出する。ここで、パルス光ＰＧに含まれる広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＥが２つの励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）の役割を果たす。第１パルス光ＰＥの複素振幅は、第１変調部４０（位相マスク４１）により空間変調されて、断面中央でゼロを示し、左に正のピーク及び右に負のピークを示す奇関数プロファイルを呈するから、２つの励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）の複素振幅も同様の奇関数プロファイルを呈する。ＮＢ光の複素振幅は、２つの励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）の複素振幅の積で与えられるから、断面中央でゼロを示し、左に正のピーク及び右に負のピークを示す奇関数プロファイルを呈することとなる。

対物レンズ６１ｂは、試料Ｓで発生する散乱光ＰＨ（ＣＡＲＳ光だけでなくＮＢ光等も含む）を集光するレンズ素子であり、試料Ｓを支持するステージ７１の下方に配置される。対物レンズ６１ｂは、集光系対物レンズとも呼ばれる。ここで、対物レンズ６１ｂは、対物レンズ６１ａより小さい開口数を有する。それにより、空間周波数の帯域が制限されることで後述するように励起系ＡＳＦが空間的に拡がり、後述するスリット６４ａ上でのＡＳＦの中央が増大して、散乱光ＰＨの断面内の中央部を効率良く検出することが可能となる。

ミラー６０ａは、全反射型のミラー素子であり、対物レンズ６１ｂから送られる散乱光ＰＨをショートパスフィルタ６２に向けて反射する。

ショートパスフィルタ６２は、試料Ｓで発生する散乱光ＰＨから長波長成分を除去してＣＡＲＳ光を透過する波長選択フィルタ素子である。本実施形態では、特に、試料Ｓを透過する第２パルス光ＰＦ（観察光）を除去するよう波長選択されている。第２パルス光ＰＦはＣＡＲＳ光より大きな強度を有するため、これにより散乱光ＰＨからＣＡＲＳ光を抽出し、効率良く検出することが可能になる。なお、観察光の強度が小さい場合などには、必ずしも、ショートパスフィルタ６２を設ける必要はない。

レンズ６３は、ショートパスフィルタ６２を介した散乱光ＰＨを収束して、散乱光ＰＨのビーム径を後述するスリット６４ａの開口幅に対して調整するレンズ素子である。対物レンズ６１ｂのみにより散乱光ＰＨが十分収束される場合には、必ずしも、レンズ６３を設ける必要はない。

スリット６４ａは、散乱光ＰＨの一部が通る開口が形成された光学素子である。ここで、開口は、一例として矩形状であり、散乱光ＰＨの断面内の中央部のサイズに対応する幅を有する。スリット６４ａは、レンズ６３と分光器６４との間の光軸上で、試料Ｓに対する光学的共役位置に配置される。なお、スリット６４ａに限らず、円形状等、任意の形状のピンホールが形成された光学素子を使用してもよい。

図４Ａに、試料Ｓから出力されるＣＡＲＳ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）、集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）、及びスリット前におけるＣＡＲＳ光の複素振幅の関係を示す。試料Ｓから出力されるＣＡＲＳ光の複素振幅は、個々のＣＡＲＳ過程で発せられるＣＡＲＳ光の複素振幅、励起光学系（すなわち、対物レンズ６１ａ）の点像分布関数、及び試料Ｓの複素感受率の積に与えられる。ここで、個々のＣＡＲＳ光の複素振幅は先述のとおり断面中央でゼロを示し、左右に正のピークを示す偶関数プロファイル、励起光学系の点像分布関数は中央で最大を示す偶関数プロファイル、試料Ｓの複素感受率は良い近似で一様であることで、断面中央でゼロを示し、左右に正のピークを示す偶関数プロファイルを呈する。集光光学系の点像分布関数は、中央で最大を示す偶関数プロファイルを呈する。スリット前におけるＣＡＲＳ光の複素振幅は、ＣＡＲＳ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）及び集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）のコンボリューションにより与えられて断面中央で非ゼロを示し、左右に正のピークを示す偶関数プロファイルを呈する。そこで、図４Ａの右図に示すように、ＣＡＲＳ光の断面中央がスリット６４ａの開口内に位置するよう、散乱光ＰＨの光軸を定める。

図４Ｂに、試料Ｓから出力されるＮＢ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）、集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）、及びスリット前におけるＮＢ光の複素振幅の関係を示す。試料Ｓから出力されるＮＢ光の複素振幅は、個々のＮＢ過程で発せられるＮＢ光の複素振幅、励起光学系（すなわち、対物レンズ６１ａ）の点像分布関数、及び試料Ｓの複素感受率の積に与えられる。ここで、個々のＮＢ光の複素振幅は先述のとおり断面中央でゼロを示し、左に正及び右に負のピークを示す奇関数プロファイル、励起光学系の点像分布関数は中央で最大を示す偶関数プロファイル、試料Ｓの複素感受率は良い近似で一様であることで、断面中央でゼロを示し、左に正のピーク及び右に負のピークを示す奇関数プロファイルを呈する。集光光学系の点像分布関数は、中央で最大を示す偶関数プロファイルを呈する。スリット前におけるＮＢ光の複素振幅は、ＮＢ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）及び集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）のコンボリューションにより与えられて断面中央でゼロを示し、左に正のピーク及び右に負のピークを示す奇関数プロファイルを呈する。そこで、図４Ｂの右図に示すように、ＮＢ光の断面中央がスリット６４ａの開口内に位置するよう、散乱光ＰＨの光軸を定める。

図５Ａ及び図５Ｂに、それぞれ、スリット６４ａに入射するＣＡＲＳ光及びＮＢ光の空間強度分布を示す。ＣＡＲＳ光及びＮＢ光のそれぞれの断面中央がスリット６４ａの開口内に位置するよう、散乱光ＰＨの光軸を定める。それにより、ＣＡＲＳ光の強度が有限であり且つＮＢ光の強度がゼロになる散乱光ＰＨの中央部をスリット６４ａの開口に通し、ＮＢ光の強度が有限となる散乱光ＰＨの他の部分をスリット６４ａによりカットすることができる。スリット６４ａを通る散乱光ＰＨの中央部は、後述する分光器６４に送られる。

分光器６４は、スリット６４ａを介した散乱光ＰＨを分光してその波長強度分布（波長スペクトル）を検出する装置であり、一例としてスペクトロメータ及びＣＣＤのような受光素子を含んで構成される。なお、ＣＣＤに限らず、光電子増倍管、フォトダイオード等の受光素子を採用してもよい。また、試料Ｓを２次元又は３次元イメージングする場合には、分光器６４に代えてＣＣＤなどの受光素子を採用してよい。

制御部８０は、光変調器５１、駆動装置７２、及び分光器６４を制御するユニットであり、パーソナル・コンピュータのようなコンピュータ端末を用いて構成される。制御部８０は、光変調器５１を制御して第２パルス光ＰＦの位相を変調し、駆動装置７２を制御して試料Ｓを支持するステージ７１を駆動して試料Ｓをパルス光ＰＧの焦点又は光軸に対して位置決め又は走査し、分光器６４を操作してパルス光ＰＧの試料Ｓへの照射に合わせて散乱光ＰＨを検出し、その検出信号を記憶装置（不図示）に記憶する。なお、検出信号を処理して、散乱光ＰＨの波長スペクトルを表示モニタ等に表示してもよい。

図６に、散乱光ＰＨの検出信号の一例、すなわち波長スペクトルを示す。波数６６０ｃｍ^－１にＣＡＲＳ光に由来する強い信号のピークを確認することができる。従って、散乱光ＰＨからＮＢ光が効率良く除去され、これが受光素子を飽和させることなく、高精度な自発ラマンスペクトルを得ることができている。

図７に、本実施形態に係る検出装置１００を用いた検出方法のフローを示す。

まず、試料Ｓに照射するパルス光ＰＧを生成する。パルス光ＰＧは、広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＥ及び広帯域スペクトルの帯域に含まれる一部の帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＦを含む。ＣＡＲＳ過程において、第１パルス光ＰＥは、励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）、第２パルス光ＰＦは、観察光（ω_ｐ２）の役割を果たす。

そこで、ステップＳ１０２では、光生成部１０（光源１１）により、パルス光ＰＧを生成するためのソース光ＰＡを生成する。ソース光ＰＡは、アイソレータ１２等を介して第１分散補償部２０に送られる。

ステップＳ１０４では、第１分散補償部２０により、ソース光ＰＡを波長毎に位相変調して分散を補償する。分散補償の詳細は先述のとおりである。分散補償されたソース光ＰＢは、ミラー２０ａ等を介してバンドパスフィルタ１３に送られる。

ステップＳ１０６では、光生成部１０（バンドパスフィルタ１３）により、ソース光ＰＢを第１パルス光ＰＣ及び第２パルス光ＰＤに分波する。第１パルス光ＰＣは第１変調部４０（位相マスク４１）に送られ、第２パルス光ＰＤはミラー１０ｄを介して第２変調部５０に送られる。

ステップＳ１０８では、第１変調部４０（位相マスク４１）により、第１パルス光ＰＣを空間変調して、第１パルス光ＰＣの断面上での複素振幅を奇関数プロファイルに変調する。図２Ａに示したように、左右方向を向く直線偏光を有する第１パルス光ＰＣを、第１位相マスク４１の入射面上の中央下側に入射する、すなわち第１パルス光ＰＣの半部は入射面上の左領域４１ａ、残り半部は入射面上の右領域４１ｂに入射することで、左領域４１ａに入射する半部に対して右領域４１ｂに入射する残り半部の位相がπシフトする（複素振幅が反転する）。それにより、第１パルス光ＰＣの複素振幅が奇関数プロファイルに変調される。空間変調された第１パルス光ＰＣは、第２分散補償部３０に送られる。

ステップＳ１１０では、第２分散補償部３０により、第１パルス光ＰＣを波長毎に位相変調して分散を補償する。分散補償の詳細は先述のとおりである。ステップＳ１０４及びステップＳ１１０により、短波長成分をパルスの先頭側に、長波長成分をパルスの後方側に含まれるようにソース光ＰＡ及び第１パルス光ＰＣを逆チャープして分散補償することで、第１パルス光ＰＥは、試料Ｓに到達するまでに各光学素子を介してチャープされ、すべての波長成分が同時に試料Ｓに到達することとなる。分散補償された第１ローブ光ＰＥは、バンドパスフィルタ１３に送られる。

ステップＳ１１２では、第２変調部５０により、第２パルス光ＰＤを時間的に変調して、第２パルス光ＰＦを第１パルス光ＰＥに対して遅延させる。その詳細は先述のとおりである。それにより、第２パルス光ＰＦを第１パルス光ＰＥに対して遅延させることで、ＣＡＲＳ過程において第１パルス光ＰＥ（励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ））を入射することにより試料Ｓ内の分子を振動励起準位Ｓ_０に励起し、それから振動励起準位Ｓ_０の寿命の時間内で遅れて第２パルス光ＰＦ（観察光（ω_ｐ２））を入射することにより、ＥＢ光の発生を抑えつつＣＡＲＳ光を発生させることができる。時間変調された第２パルス光ＰＦは、バンドパスフィルタ１３に送られる。

また、第２変調部５０により、第２パルス光ＰＤの位相を複数とおりに、特に直交四位相（０，π／２，π，３π／２）のそれぞれに変調してもよい。それにより、直交四位相のそれぞれに変調された第２パルス光ＰＦを試料Ｓに照射し、それにより試料Ｓから発生する散乱光（それぞれの強度Ｉ_０，Ｉ_π／２，Ｉ_π，Ｉ_３π／２）を検出してヘテロダイン検出Ｉ＝√（（Ｉ_０－Ｉ_π）^２＋（Ｉ_π／２－Ｉ_３π／２）^２）することで、ＣＡＲＳ光をＥＢ光から分離して検出することが可能となる。

ステップＳ１１４では、バンドパスフィルタ１３により、第１変調部４０（位相マスク４１）及び第２分散補償部３０を介して戻る第１パルス光ＰＥ及び第２変調部５０から戻る第２パルス光ＰＦをパルス光ＰＧとして合波する。パルス光ＰＧは、ハーフミラー１０ｃを介して検出部６０に送られる。

ステップＳ１１６では、検出部６０（対物レンズ６１ａ）により、パルス光ＰＧを試料Ｓに照射する。それにより、試料ＳからＣＡＲＳ光、その他ＥＢ光を含む散乱光ＰＨが発生する。ここで、先述のとおり、ＣＡＲＳ光の複素振幅は、断面中央でゼロを示し、左右に正のピークを示す偶関数プロファイルを呈し、ＮＢ光の複素振幅は、断面中央でゼロを示し、左に正のピーク及び右に負のピークを示す奇関数プロファイルを呈する。散乱光ＰＨは、対物レンズ６１ｂ等を介してショートパスフィルタ６２に送られる。

ステップＳ１１８では、ショートパスフィルタ６２により、散乱光ＰＨから長波長成分を除去してＣＡＲＳ光を透過する。ショートパスフィルタ６２を介した散乱光ＰＨは、レンズ６３を介してスリット６４ａに送られる。

ステップＳ１２０では、スリット６４ａを介して分光器６４により散乱光ＰＨを受光する。スリット６４ａの開口は、散乱光ＰＨの断面内の中央部のサイズに対応する幅を有する。図５Ａ及び図５Ｂに示したように、ＣＡＲＳ光及びＮＢ光のそれぞれの断面中央がスリット６４ａの開口内に位置するよう、散乱光ＰＨの光軸を定めたことで、ＣＡＲＳ光の強度が有限であり且つＮＢ光の強度がゼロになる散乱光ＰＨの中央部がスリット６４ａの開口を通って分光器６４により受光され、ＮＢ光の強度が有限となる散乱光ＰＨの他の部分はスリット６４ａによりカットされる。

ステップＳ１２２では、制御部８０により、分光器６４により検出された散乱光ＰＨの検出信号を記憶装置（不図示）に記憶する。なお、検出信号を処理して、図６に示すような散乱光ＰＨの波長スペクトルを表示モニタ等に表示してもよい。

なお、ステップＳ１０２～Ｓ１２２を繰り返し、パルス光ＰＧを試料Ｓに照射するのと並行して、駆動部７０によりパルス光ＰＧの焦点に対して試料Ｓを３次元方向に駆動する、つまり試料Ｓをスキャンして、試料Ｓをイメージングすることとしてもよい。

本実施形態に係る検出装置１００によれば、広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＣと、広帯域スペクトルの帯域に含まれる一部の帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＤと、を生成する光生成部１０、第１パルス光ＰＣを空間変調して、第１パルス光ＰＣの断面上での複素振幅を奇関数プロファイルに変調する第１変調部３０、第１パルス光ＰＥ及び第２パルス光ＰＦを試料Ｓに照射することにより発生する散乱光ＰＨを受光して、散乱光ＰＨの断面内の中央部を検出する検出部６０を備える。第１変調部３０により空間変調されることで奇関数プロファイルの複素振幅及び広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＥと、偶関数プロファイルの複素振幅及び狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＦと、を試料Ｓに照射することで、試料Ｓで発生するＣＡＲＳ光の複素振幅が偶関数プロファイルを呈し、同時に発生するＮＢ光の複素振幅が奇関数プロファイルを呈することとなり、これにより、ＮＢ光の振幅が中央でゼロになることで、散乱光ＰＨの断面内の中央部を検出することによりＣＡＲＳ光をＮＢ光から分離して効率良く検出することが可能となる。

図８に、変形例に係る検出装置１１０の構成を示す。検出装置１１０は、光生成部１０、第１分散補償部２０及び第２分散補償部３０、第１変調部４０ｄ及び第２変調部５０、駆動部７０、検出部６０、並びに制御部８０を備える。第１変調部４０ｄを除くユニットは、検出装置１００におけるそれらと同様に構成されている。

第１変調部４０ｄは、第１変調部４０の第１パルス光ＰＣを空間変調する機能に加えて、さらに第２パルス光ＰＤを空間変調して、第２パルス光ＰＤの断面上での複素振幅を中央でゼロを呈する偶関数プロファイルに変調する。第１変調部４０ｄは、先述の第１位相マスク４１に加えてさらに第２位相マスク４２を含む。

図９Ａに、第２位相マスク４２の構成を示す。第２位相マスク４２は、一例として正面視円形状の入射面を有する。第２位相マスク４２は、第１位相マスク４１と同様に複屈折結晶を用いて、結晶の光学軸（黒塗り矢印で示す）が入射面と平行になるように板状に成形することで構成される。ただし、結晶の光学軸は、入射面上の中央領域４２ｃでは上下方向、この中央領域４２ｃの両側に隣接する左領域４２ａ及び右領域４２ｂでは左右方向に向けられている。また、中央領域４２ｃは、第２パルス光ＰＤのビーム径に応じた幅、例えばビーム径の半分程度（すなわち、半値半幅）の幅を有する。そして、本実施形態では、結晶の厚さは、光学軸に平行な偏光を有する光が入射した場合にその位相をゼロ、光学軸に垂直な偏光を有する光が入射した場合にその位相をπシフトする厚さに定められている。第２位相マスク４２は、入射面上の左領域４２ａ及び右領域４２ｂと中央領域４２ｃとでそれぞれ異なる量、本実施形態ではそれぞれゼロ及びπだけ入射光の位相をシフトする。それにより、左右方向の偏光を有する光が入射した場合に、左領域４２ａ及び右領域４２ｂに入射した部分に対して中央領域４２ｃに入射した部分の位相がπシフトする（複素振幅が反転する）。

第２位相マスク４２は、図８に示すように、バンドパスフィルタ１３から第２変調部５０に向けて送られる第２パルス光ＰＤの光軸上で、対物レンズ６１ａ，６１ｂに対する瞳共役位置又はその近傍に配置される。第２パルス光ＰＤは、左右方向を向く直線偏光を有し、図９Ａに示すように、第２位相マスク４２の入射面上の中央下側に入射する、すなわち第２パルス光ＰＤの中央部は入射面上の中央領域４２ｃ、左側部及び右側部はそれぞれ入射面上の左領域４２ａ及び右領域４２ｂに入射することで、左領域４２ａ及び右領域４２ｂに入射する２つの側部に対して中央領域４２ｃに入射する中央部の位相がπシフトする（複素振幅が反転する）。なお、第２変調部５０から戻る第２パルス光ＰＦは、第２位相マスク４２の外側を通る。

図９Ｂに、第２位相マスク４２に入射する変調前の第２パルス光ＰＤ及び第２位相マスク４２を透過して空間変調された変調後の第２パルス光ＰＦの空間強度分布（複素振幅の絶対値の２乗）及び複素振幅（ビーム中心を通る軸上の振幅）を示す。変調前の第２パルス光ＰＤの複素振幅は、断面中央で最大を示す偶関数プロファイルを呈するのに対して、変調後の第２パルス光ＰＦの複素振幅は、第２位相マスク４２を通ることで空間変調されて断面中央でゼロを示し、左右にそれぞれ正のピークを示す偶関数プロファイルを呈する。

なお、本実施形態に係る第２位相マスク４２では、入射面上の左領域４２ａ及び右領域４２ｂと中央領域４２ｃとでそれぞれゼロ及びπだけ入射光の位相をシフトするよう構成したが、これに代えて、相対的にシフト量がπ異なるように、それぞれπ及びゼロだけ入射光の位相をシフトするよう構成してもよい。また、入射面上の左領域４２ａ及び右領域４２ｂと中央領域４２ｃとでそれぞれゼロ及びπ／２だけ入射光の位相をシフトするよう構成してもよい。ただし、バンドパスフィルタ１３から送られる第２パルス光ＰＤも第２変調部５０から戻る第２パルス光ＰＦも第２位相マスク４２の中央を通るよう、第２位相マスク４２をバンドパスフィルタ１３とミラー１０ｄとの間に配置するものとする。第２パルス光ＰＥ（ＰＦ）の中央部は入射面上の中央領域４２ｃを介して往復し、残りの側部は入射面上の左領域４２ａ及び右領域４２ｂを介して往復することで、左領域４２ａ及び右領域４２ｂに入射する側部に対して中央領域４２ｃに入射する中央部の位相がπシフトする。

なお、本実施形態に係る第２位相マスク４２の構成は一例であり、第２パルス光ＰＤを空間的に変調して断面上の複素振幅を中央でゼロを示す偶関数プロファイルに変調するものであれば、その構成及び製造方法は任意であってよい。

図１０に、ＣＡＲＳ過程に関わる３つのパルス光の空間強度分布及び複素振幅を示す。ＣＡＲＳ過程では、先述のとおり、基底準位Ｌ１にある分子が励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）を吸収することにより仮想準位Ｌ３を介して振動励起準位Ｓ_０に遷移し、さらに振動励起準位Ｓ_０にある分子がその寿命の時間内に観察光（ω_ｐ２）を吸収することに伴ってＣＡＲＳ光（ω_ｐ１－ω_ｓ＋ω_ｐ２）を放出して基底準位Ｌ１に遷移する。ここで、パルス光ＰＧに含まれる広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＥが励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）の役割を果たし、狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＦが観察光（ω_ｐ２）の役割を果たす。第１パルス光ＰＥの複素振幅は、第１変調部４０（第１位相マスク４１）により空間変調されて、断面中央でゼロを示し、左に正のピーク及び右に負のピークを示す奇関数プロファイルを呈するから、励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）の複素振幅も同様の奇関数プロファイルを呈する。一方、第２パルス光ＰＦの複素振幅は、第１変調部４０（第２位相マスク４２）により空間変調されて、断面中央でゼロを示し、左右に正のピークを示す偶関数プロファイルを呈するから、観察光（ω_ｐ２）も同様の偶関数プロファイルを呈する。ＣＡＲＳ光の複素振幅は、励起光（ω_ｐ１）、ストークス光（ω_ｓ）、及び観察光（ω_ｐ２）の複素振幅の積で与えられるから、断面中央でゼロを示し、左右に正のピークを示す偶関数プロファイルを呈することとなる。

ここで、第２位相マスク４２の中央領域４２ｃは、第２パルス光ＰＤのビーム径の半分程度（例えば、半値半幅）の幅を有することから、偶関数プロファイルの複素振幅を有する第２パルス光ＰＦの２つのピークの位置が、それぞれ、奇関数プロファイルの複素振幅を有する第１パルス光ＰＥの２つのピークの位置に一致し、それにより、偶関数プロファイルの複素振幅を有することとなるＣＡＲＳ光の強度がより大きくなる。

図１１に、試料Ｓから出力されるＣＡＲＳ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）、集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）、及びスリット前におけるＣＡＲＳ光の複素振幅の関係を示す。試料Ｓから出力されるＣＡＲＳ光の複素振幅は、個々のＣＡＲＳ過程で発せられるＣＡＲＳ光の複素振幅、励起光学系（すなわち、対物レンズ６１ａ）の点像分布関数、及び試料Ｓの複素感受率の積で与えられる。ここで、個々のＣＡＲＳ光の複素振幅は先述のとおり断面中央でゼロを示し、左右に正の強いピークを示す偶関数プロファイル、励起光学系の点像分布関数は中央で最大を示す偶関数プロファイル、試料Ｓの複素感受率は良い近似で一様であることで、断面中央でゼロを示し、左右に正の強いピークを示す偶関数プロファイルを呈する。集光光学系の点像分布関数は、中央で最大を示す偶関数プロファイルを呈する。スリット前におけるＣＡＲＳ光の複素振幅は、ＣＡＲＳ光の複素振幅（励起系ＡＳＦ）及び集光光学系の点像分布関数（集光系ＡＳＦ）のコンボリューションにより与えられて断面中央で非ゼロを示し、左右に正のピークを示す、より振幅の大きい偶関数プロファイルを呈する。

そこで、図１１の右図に示すように、ＣＡＲＳ光の断面中央がスリット６４ａの開口内に位置するよう、散乱光ＰＨの光軸を定める。それにより、より振幅の大きいＣＡＲＳ光を含む散乱光ＰＨの中央部がスリット６４ａの開口を通って分光器６４により検出されることで、ＣＡＲＳ光をＮＢ光から分離して効率良く検出することが可能となる。

変形例に係る検出装置１１０を用いた検出方法は、図７に示した検出装置１００を用いた検出方法のフローにおいて、さらに、ステップＳ１１０及びＳ１１２の間に第２パルス光ＰＤを第２位相マスク４２を用いて空間変調して、第２パルス光ＰＤの断面上での複素振幅を中央でゼロを呈する偶関数プロファイルに変調するステップを含むこととなる。

本実施形態に係る検出装置１００及び変形例に係る検出装置１１０では、光源１１により生成されたソース光ＰＡ（これを第１分散補償部２０により分散補償して生成されたソース光ＰＢ）をバンドパスフィルタ１３を用いて分波することで、第１パルス光ＰＣ及び第２パルス光ＰＤを生成した。第１パルス光ＰＣは、第２分散補償部３０により分散補償されて広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＥをなし、ＣＡＲＳ過程において励起光（ω_ｐ１）及びストークス光（ω_ｓ）の役割を果たす。第２パルス光ＰＤは、第２変調部５０により時間変調されて広帯域スペクトルの帯域に含まれる一部の帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＦをなし、ＣＡＲＳ過程において観察光（ω_ｐ２）の役割を果たす。第１パルス光ＰＥ及び第２パルス光ＰＦは、バンドパスフィルタ１３により、試料に照射するパルス光ＰＧに合波される。斯かる構成に代えて、第１パルス光ＰＣ及び第２パルス光ＰＤをそれぞれ異なる２つの光源により生成してもよい。さらに、第１パルス光ＰＣより、広帯域スペクトルを有する第１パルス光ＰＥを生成し、第２パルス光ＰＤより、広帯域スペクトルの帯域より狭い帯域であり、広帯域スペクトルの帯域内に含まれる又は帯域外に位置する狭帯域スペクトルを有する第２パルス光ＰＦを生成し、第１パルス光ＰＥ及び第２パルス光ＰＦを合波して試料に照射するパルス光ＰＧを生成することとしてもよい。

本実施形態に係る検出装置１００及び変形例に係る検出装置１１０では、試料Ｓを透過する光を検出する透過型の検出装置として構成したが、これに代えて、試料Ｓから反射する光を検出する反射型の検出装置として構成してもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０…光生成部、１０ａ，１０ｄ…ミラー、１０ｂ，１０ｃ…ハーフミラー、１１…光源、１２…アイソレータ、１３…バンドパスフィルタ、２０ａ…ミラー、２０…第１分散補償部、２１…回折格子対、２２…チャープミラー、３０…第２分散補償部、３１…回折格子、３２…反射鏡、３３…凹面鏡、４０…第１変調部、４１…第１位相マスク、４１ａ，４２ａ…左領域、４１ｂ，４２ｂ…右領域、４２…第２位相マスク、４２ｃ…中央領域、５０…第２変調部、５０ａ…ミラー、５１…光変調器、５２…可動ミラー、６０…検出部、６０ａ…ミラー、６１ａ，６１ｂ…対物レンズ、６２…ショートパスフィルタ、６３…レンズ、６４…分光器、６４ａ…スリット、７０…駆動部、７１…ステージ、７２…駆動装置、８０…制御部、１００，１１０…検出装置、ＰＡ，ＰＢ…ソース光、ＰＣ，ＰＥ…第１パルス光、ＰＤ，ＰＦ…第２パルス光、ＰＧ…パルス光、ＰＨ…散乱光、Ｓ…試料。

Claims (18)

1. 試料で発生するラマン散乱光を検出する検出装置であって、
   広帯域スペクトルを有する第１パルス光と、前記広帯域スペクトルの帯域より狭い帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光と、を生成する光生成部と、
   前記第１パルス光を空間変調して、前記第１パルス光の断面上での複素振幅を奇関数プロファイルに変調する第１変調部と、
   前記第１パルス光及び前記第２パルス光を試料に照射することにより発生する散乱光を受光して、前記散乱光の断面内の中央部を検出する検出部と、
   を備える検出装置。
2. 前記第１変調部は、前記第１パルス光の光軸上に配置される第１位相マスクを有し、
   前記第１位相マスクは、入射面上の互いに隣接する２つの領域でそれぞれ異なる量だけ入射光の位相をシフトする、請求項１に記載の検出装置。
3. 前記第１変調部は、さらに、前記第２パルス光を空間変調して、前記第２パルス光の断面上での複素振幅を中央でゼロを呈する偶関数プロファイルに変調する、請求項１又は２に記載の検出装置。
4. 前記第１変調部は、さらに、前記第２パルス光の光軸上に配置される第２位相マスクを有し、
   前記第２位相マスクは、入射面上の中央部と該中央部の両側に隣接する２つの側部とでそれぞれ異なる量だけ入射光の位相をシフトする、請求項３に記載の検出装置。
5. 前記第２位相マスクの中央部は、前記第２パルス光のビーム径の半分程度の幅を有する、請求項４に記載の検出装置。
6. 前記狭帯域スペクトルを有する第２パルス光の帯域は、前記広帯域スペクトルを有する第１パルス光の帯域に含まれる請求項１から５のいずれか一項に記載の検出装置。
7. 前記第２パルス光を時間的に変調して、前記第２パルス光を前記第１パルス光に対して遅延させる第２変調部をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の検出装置。
8. 前記第２変調部は、前記第２パルス光の位相を複数とおりに変調する、請求項７に記載の検出装置。
9. 前記検出部は、前記散乱光が通るスリットを有し、
   前記スリットは、前記散乱光の断面内の中央部のサイズに対応する幅を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の検出装置。
10. 前記検出部は、前記第１パルス光及び前記第２パルス光を試料に向けて集光する第１レンズと、試料で発生する散乱光を集光する第２レンズと、を有し、
    前記第２レンズは、前記第１レンズより小さい開口数を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の検出装置。
11. 前記検出部は、前記試料で発生する散乱光が透過する波長選択フィルタを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の検出装置。
12. 前記光生成部は、前記広帯域スペクトルを有するソース光を生成する光源と、前記ソース光を前記第１パルス光及び前記第２パルス光に分波するフィルタと、を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の検出装置。
13. 前記検出部は、前記散乱光を分光する分光器を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の検出装置。
14. 前記第１パルス光及び前記第２パルス光に対して前記試料を相対的に駆動する駆動部をさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の検出装置。
15. 試料で発生するラマン散乱光を検出する検出方法であって、
    広帯域スペクトルを有する第１パルス光と、前記広帯域スペクトルの帯域より狭い帯域の狭帯域スペクトルを有する第２パルス光と、を生成する段階と、
    前記第１パルス光を空間変調して、前記第１パルス光の断面上での複素振幅を奇関数プロファイルに変調する段階と、
    前記第１パルス光及び前記第２パルス光を試料に照射することにより発生する散乱光を受光して、前記散乱光の断面内の中央部を検出する段階と、
    を備える検出方法。
16. 前記第２パルス光を空間変調して、前記第２パルス光の断面上での複素振幅を中央でゼロを呈する偶関数プロファイルに変調する段階をさらに備える、請求項１５に記載の検出方法。
17. 前記第２パルス光を時間的に変調して、前記第２パルス光を前記第１パルス光に対して遅延させる段階をさらに備える、請求項１５又は１６に記載の検出方法。
18. 前記第１パルス光及び前記第２パルス光に対して前記試料を相対的に駆動する段階をさらに備える、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の検出方法。

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