JP3600867B2 - Tunable laser and Raman spectrometer - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー、特に分光分析用の光源として有用な波長可変レーザー、及びその波長可変レーザーを用いたラマン分光測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近赤外線ラマン分光法は、化学及び生物学の分野における試料の分析に広く利用されている。ラマン分光法の生体臨床医学分析への適用は、次の3つの理由によって多くの研究者の興味を引いている。
【0003】
(1)ラマン分光法は非侵襲的な光学的測定法であること。最近開発された光ファイバープローブ法は生物学的組織のin situ測定を可能にした。Bushmanらは、内視鏡的ラマン分析における微小なラマン光ファイバープローブの有用性を実証した(Anal.Chem.,72,3771(2000))。
(2)ラマンスペクトルは多くの情報を含んでいること。
(3)実時間分析が可能であること。
【0004】
ここ10年の間、励起光源としてNd:YAGレーザー(1064nm)を用いる近赤外線フーリエ変換ラマン分光法は、生体臨床医学の研究において強力な手段として利用されてきた(Appl.Spectrosc.,46,533(1992);Spectrochim.Acta A,55,1691(1999);J.Mol.Struc.,480−481,21(1999))。最近の近赤外線励起ラマンin situ研究においては、CCD付きの分散型ラマン分光計が、フーリエ変換ラマン法より高速で高感度なラマンスペクトル測定法として一般的になってきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
励起波長を掃引しながらラマンスペクトルを測定すると、ラマン励起プロファイルが測定される。ラマン励起プロファイルからは分子の励起状態における電子遷移のモーメント等の情報を得ることができる。生体分子スペクトルの統計的分析や、2次元解析法による分析において、非侵襲的外部摂動として励起波長変化が使用できる。その測定に必要とされる波長可変レーザーとしては従来、通常のTi:サファイヤレーザーや色素レーザー、様々な固定波長レーザーの組合せが用いられていたが、背景放射光等の不純な光によるスペクトル取得の妨害や、不純光を取り除くために用いるバンドパスフィルターによる励起波長の限定等の問題があった。
【0006】
また、レーザー波長を変える度にレーザー光軸を再調整しなければならないという別の問題もあった。波長可変レーザーの多くは、波長選択のために複屈折フィルタ、回折格子、あるいはプリズム等の角度同調デバイスを用いている。レーザー波長のみでなく、ビームの照射位置の安定性もこれらの同調デバイスの機械精度に依存するため、それほど高くすることはできない。ラマンスペクトルの測定強度はサンプル上のレーザー光照射位置に依存する。
一方、高速な波長掃引が可能な波長可変レーザーとして電子制御型波長可変レーザー〔以下、ETT(Electronically Tuned Tunable)レーザーという〕が本発明者らのグループによって開発された。
【0007】
ETTレーザーは、図2に概略構成を示すように、所定の透過率を有する出射側ミラー112と全反射ミラー110によりレーザー共振器が構成されており、レーザー共振器内には波長可変レーザー媒質(例えば、チタンサファイア、色素等)14と、波長選択用の複屈折性音響光学素子100と、回折角の波長分散補正素子としてのプリズム28が出射側ミラー112と全反射ミラー110の間に配設されている。複屈折性音響光学素子100には、音響波入力手段としてRF電源20により駆動される圧電素子22が取り付けられている。RF電源20により圧電素子22を駆動すると、音響波が複屈折性音響光学素子100中を伝播する。全反射ミラー110は、複屈折性音響光学素子100によって所定の方向に回折された回折光106のみを垂直反射するように構成されている。
【0008】
励起レーザー光24によってレーザー媒質14を励起する。また、レーザー発振させたいレーザー光の周波数(波長)に応じてRF電源の周波数を制御する。このようにすると、レーザー媒質14から出射され複屈折性音響光学素子100に入射された広範囲の波長帯域の出射光の中で、RF電源20の周波数ωaに応じた次の周波数ωoの光が回折光106として複屈折性音響光学素子100から全反射ミラー110の方向に回折される。
【0009】
ωo=ωi+ωa (1)
【0010】
こうして、周波数ωiの光のみがレーザー媒質14内を往復することができ、レーザー媒質で増幅されてレーザー発振を生じ、レーザー共振器からレーザー光として出射する。
波長分散補正用プリズム28は、複屈折性音響光学素子100から出射した回折光106を、回折光の波長に関わらず常に全反射ミラー110に垂直入射させるように設計されている。この場合、複屈折性音響光学素子100で回折されて回折光106となった光線は、いずれの波長においても全反射ミラー110で反射されて同一の光路を逆に辿ることができるようになり、レーザー媒質14で効率よく増幅されてレーザー発振することが可能となる。
【0011】
このETTレーザーは、レーザー発振波長を高速に切り換えることができるという利点を有するものの、レーザー媒質14から発せられる広帯域の自発蛍光に由来するバックグラウンドノイズは、高感度ラマン分光測定にとって有害である。つまり、レーザー媒質14から発せられるブロードな自発蛍光(チタンサファイアの場合、650〜1100nm)が背景放射光としてレーザー発振光に混ざるため、励起光の1億分の1程度の強度しかないラマン散乱光を測定するためには、背景放射光の除去のためにバンドパスフィルタを併用する必要がある。バンドパスフィルタは回転させても透過波長が数nmしか変わらないため、ETTレーザーを用いてラマン励起プロファイルを測定しようとすると、励起波長毎に多数のバンドパスフィルタを用意する必要があり、とても実用的とはいえなかった。
本発明は、このような問題点に鑑み、背景放射光のない波長可変レーザーを提供することを目的とする。本発明は、また、高精度なラマン分光測定やラマン励起プロファイルの迅速な測定が可能なラマン分光装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、複屈折性音響光学素子の回折効果を用いて、近赤外ラマン分光法に好適な蛍光バックグラウンドのない波長可変レーザーを開発した。
本発明による波長可変レーザーは、所定の透過率を有する出射側ミラーと全反射ミラーとにより構成されたレーザー共振器内に、波長可変レーザー媒質と、波長選択用の複屈折性音響光学素子と、複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散補正素子としてのプリズムとを配置した波長可変レーザーにおいて、全反射ミラーに近い側に波長可変レーザー媒質を配置し、出射側ミラーに近い側に複屈折性音響光学素子及びプリズムを配置したことを特徴とする。
【0013】
波長可変時の出射レーザー光の光軸の変動が出射レーザー光のビーム径の10分の1以下になるように、複屈折性音響光学素子と前記プリズムの間隔を設定するのが好ましい。波長可変時の出射レーザー光の光軸変動がビーム径の10分の1以内であれば、それを光学系で有効ビーム径の10分の1程度に収束した試料上の光照射点はほとんど移動しないと見積もられ、試料測定における影響はほとんどない。
本発明によるラマン分光測定装置は、前記した波長可変レーザーと、分光器と、波長可変レーザーからの出射光を試料に収束するための光学系と、試料からの散乱光を分光器の入射スリットに集光するための光学系とを備えることを特徴とする。
【0014】
本発明の波長可変レーザーを使用すると、バンドパスフィルタを使用せずにバンドパスフィルタを用いたときと同程度かそれ以上の背景放射光除去効果が得られる。バンドパスフィルタを使用したときと大きく異なるのは、本発明の波長可変レーザーは波長選択素子をそのまま背景放射光除去フィルタとして用いているため、波長可変に完全に対応している点である。
【0015】
また、この波長可変レーザーは非常に高いポインティングスタビリティを兼ね備えている。ラマン測定では10μm程度の領域にレーザー光を集光して試料を照射し、その領域から出てくる散乱光を分析する。従来の波長可変レーザーを用いたラマン測定では、波長を変えるたびに光軸の調整が必要であったが、本発明の波長可変レーザーを使用すると光軸の再調整の必要がない。従って、励起波長を自由に変えながらラマン分光測定が可能である。
【0016】
更に、励起波長を掃引しながらラマンスペクトルを測定すると、ラマン励起プロファイルの測定が可能であるが、従来の波長可変レーザーを用いる場合には、バンド相対強度の定量的解析をするために何らかの内部標準が必要であった。本発明の波長可変レーザーを用いると、励起波長変化に伴う焦点位置の誤差が非常に小さいので、内部標準を使わずにレーザー強度と分光器の装置係数の補正だけでバンド相対強度の定量的解析が可能である。
スペクトル測定における本発明の波長可変レーザーの利点は以下の通りである。
【0017】
1.バックグラウンドノイズがない
2.操作及び制御が容易である
3.照射位置の安定性及びTEM00のビームプロファイル
4.波長及び強度を正確に制御することができる
5.ソリッドステートレーザー(メンテナンスが容易)
6.ラマン分光応用に好適な広範な可変波長範囲(例えば、レーザー媒質としてチタンサファイアを用いる場合、700〜1000nm)を有する
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明による背景放射光のないETTレーザーの光学系の一例を示す概略図である。本発明によるETTレーザーの共振器の構成は、アウトプットカップリングミラーと全反射ミラーの位置が入れ替わっている点を除いて、従来のETTレーザーの共振器の構成と同じである。発振レーザー光の波長及び強度はプログラムされたコンピュータによって制御される。
【0019】
この例では、レーザー共振器内を往復する光の光路がアルファベットのZ字形状になる、いわゆるZホールド型のレーザー共振器を用いている。Zホールド型のレーザー共振器は所定の透過率(例えば反射率98%、透過率2%)を有する出射側ミラー112と全反射ミラー110を備える。さらに、励起レーザー光Aを入射させるとともに出射側ミラー112と全反射ミラー110との間を往復する光Bを反射する第1中間ミラー37と、出射側ミラー112と全反射ミラー110との間を往復する光Bを反射する第2中間ミラー38を備えており、レーザー共振器内を往復する光Bの光路はアルファベットのZ字形状とされる。
【0020】
レーザー共振器の光路上の第1中間ミラー37と第2中間ミラー38の間には、波長可変レーザー媒質として入射光の入射端面がブルースターカットされたレーザー媒質14が、その入射端面が入射光の反射がゼロとなるブルースター角となるようにして配置されており、励起レーザー光Aにより縦方向同軸励起によりレーザー発振が生じるように構成されている。レーザー共振器の光路上の第2中間ミラー38と出射側ミラー112の間には、波長選択手段としてTeOなどからなる複屈折性音響光学素子100が配置されている。
【0021】
複屈折性音響光学素子100には、音響波入力手段として、パーソナル・コンピュータ26により周波数を制御されたRF電源20で駆動される圧電素子22が取り付けられている。従って、パーソナル・コンピュータ26の制御により任意の周波数に設定されたRFドライバ20により圧電素子22を駆動してその周波数に応じた音響波を複屈折性音響光学素子100に励起することにより、複屈折性音響光学素子100は前記(1)式で表される周波数ωoの光Dを回折する。圧電素子22は、出射側ミラー112から出射させたい出射レーザー光Cの波長の光B(周波数ωi≒ωo)に対応する光のみを、複屈折性音響光学素子100が所定の方向に回折した回折光Dとして出射し、レーザー共振できるように、パーソナル・コンピュータ26により複屈折性音響光学素子100へ入力する音響波の周波数ωaを制御する。
【0022】
複屈折性音響光学素子100と出射側ミラー112の間には、回折光Dの分散を補正するための波長分散補正素子としてのプリズム28が配設されている。この回折角の波長分散補正用プリズム28を用いることにより、出射レーザー光Cの方向を一定にすることができる。レーザー共振器内へ励起レーザー光Aを入射するための励起レーザー32としては、パルスレーザー又は連続発振レーザー(CWレーザー)を用いることができる。本例では、レーザー媒質をチタンサファイアとし、2倍周波CW−QスイッチNd:YAGレーザーからの532nmのパルス光(1.5kHz)をポンピング光として用いた。励起レーザー32によって発生された励起レーザー光Aは、全反射ミラー34により全反射集光ミラー36に反射され、全反射集光ミラー36により集光されて第1中間ミラー37を介してレーザー媒質14を縦方向同軸励起するように入射される。
【0023】
以上の構成において、出射レーザー光Cを得るには、励起レーザー32により入射された励起レーザー光Aを用いてレーザー媒質14を励起する。また、出射側ミラー112から出射させたい出射レーザー光Cの波長(周波数ωo)に応じて、RFドライバ20の周波数ωaをパーソナル・コンピュータ26により制御し、圧電素子22を駆動する。このようにすると、レーザー媒質14から出射して複屈折性音響光学素子100に入射された広範囲の波長帯域の光の中で、RFドライバ20の周波数に応じた波長の光は、複屈折性音響光学素子100で回折光D(周波数ωo)として回折される。この回折光Dは、回折角の波長分散補正用プリズム28を介して出射側ミラー112に垂直入射し、出射側ミラー112で反射されてZ字形状の光路を辿ってレーザー共振器内を往復する(レーザー媒質14の位置では角周波数ωi)。従って、RF電源20の周波数に応じた波長の光のみが増幅されてレーザー発振し、レーザー共振器から当該波長の出射レーザー光C(周波数ωo)を出射させる。
【0024】
レーザー出力及び周波数の安定化のため、複屈折性音響光学素子をdouble radio frequency driving(DRD)法で制御した。複屈折性音響光学素子ドライバの第1のRFチャネル(RF1)は複屈折性音響光学素子100にRF信号を供給し、レーザー放射の波長と強度を変える。第2のRFチャネル(RF2)は、RF1の出力変動を補償し各周波数で最適化するように制御される。この結果、RF1及びRF2から複屈折性音響光学素子100に供給されるエネルギーの和は一定に保たれる。RF2の周波数は、レーザー発振波長域外に対応する85MHzに固定した。このDRD法によって、波長(<0.1nm)及び強度(10パルスの平均でみて<±2%:この安定度はポンプレーザーの安定度によって制限される)に対する高い信頼度が実現される。スペクトルのFWHM(Full width at half maximum)は典型的には0.2nm以下であった。
【0025】
図3は、光源として図1に示した本発明の波長可変レーザーを用いたラマン分光測定装置の概略図である。波長可変レーザー150からの出射光はレンズ210によって試料215に収束照射される。試料215から発生した散乱光はレンズ221,222によってトリプルポリクロメータ223の入射スリットに集光される。トリプルポリクロメータ223で分光されたスペクトル信号は、液体窒素冷却CCD検出器224で検出した。トリプルポリクロメータ223、CCD検出器224、及び波長可変レーザー150は、全てコンピュータ26によって同時に制御した。分光計用の分光測定プログラムの設定パラメータは励起波長、測定レンジ、スリット幅、露光時間、及び積算回数である。
【0026】
図4は、サンプルキュベット中に散乱体としてアルミニウムフォイルを配置し、従来の波長可変レーザーと本発明の波長可変レーザーを用いて同じ条件で測定した散乱スペクトルの比較図である。横軸は、光源波長(700nm)との波長差、縦軸はCCDのカウント数(CCD検出器での信号強度、本明細書ではCCDカウントという)である。
【0027】
スペクトルaは、励起光源として、図2に示すように波長分散補正用プリズム28の側に全反射ミラーを配置し、レーザー媒質14の側に出射側ミラーを配置した波長可変レーザーを用いた場合の散乱スペクトルである。また、スペクトルbは、図1に示すように、波長分散補正用プリズム28の側に出射側ミラーを配置し、レーザー媒質14の側に全反射ミラーを配置した本発明の波長可変レーザーを用いた場合の散乱スペクトルである。スペクトルb′はスペクトルbの拡大図である。
【0028】
スペクトルaの強度と、図4の測定と同じ条件で測定したとき0.3CCDカウントであるサンプルキュベットに入れたアセトンの強度最大のラマンバンドとを比較すると、従来の波長可変レーザーではノイズとなる背景放射光のレベルは標準的なラマン材料の信号レベルより2桁大きいことが分かる。これに対して、本発明の波長可変レーザーを用いるとレーザー媒質14の自発蛍光に起因するノイズがほとんど観測されないことが分かる。これは、蛍光成分が複屈折性音響光学素子によって除去されたことを示している。スペクトルb′のラマンシフトの小さい側に現れている鋭いピーク及びベースラインの増大は迷光に基づくものである。1900cm−1と3300cm−1に見られるステップ的な強度変化は、全周波数範囲をカバーするために狭い範囲のスペクトル成分を結合したとき生じた人工的なものである。
【0029】
ラマン励起光源の観点、特に共鳴ラマン励起プロファイル測定の観点からすると、スペクトルにノイズが無いことに加えて、全ての波長可変範囲にわたって照射点の安定性と高いビームクオリティが望まれる。図5は、本発明の可変波長レーザーの出力側ミラーから300mmの位置で測定したレーザー発振波長700nmと850nmにおけるビームプロファイルを比較したものである。波長可変したときのビームパターン及びビーム中心の変動をCCDヘッドに装着したビームプロファイラによって測定した。
【0030】
複屈折性音響光学素子から出射するビームの回折角は波長に依存し、波長700nmに対する回折角と波長1000nmに対する回折角の差は理論上では、0.35゜である。この回折角の波長依存性によるビームの分離は、プリズムを複屈折性音響光学素子に近づけることによって小さくすることができる。本例では、複屈折性音響光学素子とプリズムの距離を2cmとして実測した。波長が700nmから850nmに変化するとき、ビームの中心の移動はわずか2ピクセル(0.046mm)であった。ビームの直径は700nmのとき56ピクセル(1.29mm)、850nmのとき63ピクセル(1.45mm)であるから、中心点の変位は実際上無視できる。測定されたビームパターンはTEM00モードを示していた。これらの結果から、本発明の波長可変レーザーからのビームプロファイルは、波長選択素子として複屈折フィルタ、回折格子あるいはプリズムを用いる通常のチタンサファイアレーザーと比較して遜色無く、光軸のズレは、従来のETTレーザーと比較して遜色無いことが確認できた。
【0031】
図6は、図3に示したラマン分光測定装置を用いて測定した、水溶液中のデオキシヘモグロビンの励起ラマンプロファイルを示す図である。図6には、励起波長を700〜860nmの範囲で10nmステップで変えて測定した17のラマンスペクトルを示す。一番上のスペクトルは励起波長700nmのもの、下に行くに従って励起波長が長くなり、一番下のスペクトルは励起波長860nmのものである。
【0032】
全測定を通して、光軸の再調整は必要なかった。露光時間が30分と長いにもかかわらず、ラマンスペクトル中にレーザーからの背景放射光は観測されなかった。この結果は、本発明の波長可変レーザーがラマン分光法の光源として高い性能を有することを示すものである。
【0033】
スペクトル中の共鳴効果を比較するには、異なる励起波長における全ての測定データの強度を校正しなければならない。通常のラマン励起プロファイル測定においては、強度校正のために非共鳴内部標準をサンプルに添加する。しかし、増強効果が最大で10倍にも達する共鳴サンプルの測定の場合には、大量の内部標準を添加しなければならない。内部標準物質は生物活性を変更することがあるため、in situ測定には使うことができない。従って、ここでは得られたスペクトルの強度を校正するために理論的な方法を用いた。ラマンスペクトルの強度(Ir)を説明するパラメータは以下の通りである。
【0034】
Ir∝α(v)I(ve)T(v)vA(v)−1
α(v):共鳴効果に起因するスペクトル強度の増強効果
:励起光強度
T(v):分光計のスループット及び検出器の感度
v:ラマンスペクトルの絶対波数
A(v):サンプルに起因する自己吸収
c:サンプル濃度
【0035】
T(v)は、本システムによって黒体輻射光のスペクトルを記録することによって得られる。A(v)は、デオキシヘモグロビンが700〜1000nm領域に非常に弱い吸収を有するため定数とみなすことができる。図6中のデオキシヘモグロビンのラマンスペクトルは全て上式によって標準化されているため、励起波長に依存する共鳴効果の強さを比較することが可能である。デオキシヘモグロビンの最大吸収波長760nmで励起したラマンスペクトルは、特徴的な共鳴増強効果を示さない。励起波長が長くなるに従ってラマン強度が連続的に減少することにより、これらの共鳴ラマンスペクトルは、デオキシヘモグロビンの700〜1000nm領域に観測される電子遷移よりも、いわゆるQバンドと呼ばれる電子遷移の影響によって増強されていることを示唆している。
【0036】
【発明の効果】
本発明によると、背景放射光のない波長可変レーザーが得られる。また、本発明によると、高精度なラマン分光測定やラマン励起プロファイルの迅速な測定が可能なラマン分光装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による背景放射光のないETTレーザーの光学系の一例を示す概略図。
【図2】従来のETTレーザーの概略構成図。
【図3】光源として本発明の波長可変レーザーを用いたラマン分光測定装置の概略図。
【図4】従来の波長可変レーザーと本発明の波長可変レーザーを用いて同じ条件で測定した散乱スペクトルの比較図。
【図5】700nmと850nmで測定した本発明の波長可変レーザーのビームプロファイルを示す図。
【図6】水溶液中のヘモグロビンのラマンスペクトル測定結果を示す図。
【符号の説明】
14…波長可変レーザー媒質、20…RF電源、22…圧電素子、26…コンピュータ、28…波長分散補正用プリズム、32…励起レーザー、100…複屈折性音響光学素子、110…全反射ミラー、112…出射側ミラー、150…波長可変レーザー、215…試料、223…トリプルポリクロメータ、224…CCD検出器
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser, particularly a tunable laser useful as a light source for spectroscopic analysis, and a Raman spectrometer using the tunable laser.
[0002]
[Prior art]
Near-infrared Raman spectroscopy is widely used for analyzing samples in the fields of chemistry and biology. The application of Raman spectroscopy to biomedical medical analysis has attracted many researchers for three reasons.
[0003]
(1) Raman spectroscopy is a non-invasive optical measurement method. The recently developed fiber optic probe method has enabled in situ measurement of biological tissue. Bushman et al. Demonstrated the utility of a microscopic Raman fiber optic probe in endoscopic Raman analysis (Anal. Chem., 72 , 3771 (2000)).
(2) The Raman spectrum contains much information.
(3) Real-time analysis is possible.
[0004]
For the last decade, near-infrared Fourier transform Raman spectroscopy using an Nd: YAG laser (1064 nm) as the excitation light source has been used as a powerful tool in biomedical research (Appl. Spectrosc., 46 , 533). (1992); Spectrochim. Acta A, 55 , 1691 (1999); J. Mol. Struc., 480-481 , 21 (1999)). In recent near-infrared excitation Raman in situ studies, a dispersion type Raman spectrometer with a CCD has become popular as a Raman spectrum measurement method that is faster and more sensitive than the Fourier transform Raman method.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When the Raman spectrum is measured while sweeping the excitation wavelength, a Raman excitation profile is measured. Information such as the moment of electronic transition in the excited state of a molecule can be obtained from the Raman excitation profile. In statistical analysis of a biomolecule spectrum or analysis by a two-dimensional analysis method, a change in excitation wavelength can be used as a non-invasive external perturbation. Conventionally, a combination of ordinary Ti: sapphire laser, dye laser, and various fixed wavelength lasers has been used as the wavelength tunable laser required for the measurement, but the spectrum acquisition by impure light such as background radiation is used. There are problems such as restriction of the excitation wavelength by a band-pass filter used for removing interference and impurity light.
[0006]
Another problem is that the laser optical axis must be readjusted every time the laser wavelength is changed. Many tunable lasers use angle tuning devices such as birefringent filters, diffraction gratings, or prisms for wavelength selection. Not only the laser wavelength, but also the stability of the beam irradiation position cannot be so high, because it depends on the mechanical accuracy of these tuning devices. The measured intensity of the Raman spectrum depends on the laser light irradiation position on the sample.
On the other hand, an electronically controlled tunable laser (hereinafter referred to as an ETT (Electronically Tuned Tunable) laser) has been developed by the group of the present inventors as a tunable laser capable of high-speed wavelength sweeping.
[0007]
As shown schematically in FIG. 2, the ETT laser has a laser resonator including an emission side mirror 112 having a predetermined transmittance and a total reflection mirror 110, and a wavelength tunable laser medium ( (E.g., titanium sapphire, dye, etc.) 14, a birefringent acousto-optic element 100 for wavelength selection, and a prism 28 as a wavelength dispersion correction element for the diffraction angle are disposed between the output side mirror 112 and the total reflection mirror 110. Have been. A piezoelectric element 22 driven by an RF power supply 20 is attached to the birefringent acousto-optic element 100 as acoustic wave input means. When the piezoelectric element 22 is driven by the RF power supply 20, an acoustic wave propagates through the birefringent acousto-optic element 100. The total reflection mirror 110 is configured to vertically reflect only the diffracted light 106 diffracted in a predetermined direction by the birefringent acousto-optic element 100.
[0008]
The laser medium 14 is excited by the excitation laser light 24. Further, the frequency of the RF power supply is controlled according to the frequency (wavelength) of the laser light to be oscillated. In this way, the light of the next frequency ωo corresponding to the frequency ωa of the RF power supply 20 is diffracted in the light of the wide wavelength band emitted from the laser medium 14 and incident on the birefringent acousto-optic element 100. The light 106 is diffracted from the birefringent acousto-optic device 100 toward the total reflection mirror 110.
[0009]
ωo = ωi + ωa (1)
[0010]
In this manner, only the light having the frequency ωi can reciprocate in the laser medium 14, is amplified by the laser medium, generates laser oscillation, and emits the laser light from the laser resonator.
The chromatic dispersion correcting prism 28 is designed so that the diffracted light 106 emitted from the birefringent acousto-optic element 100 is always perpendicularly incident on the total reflection mirror 110 regardless of the wavelength of the diffracted light. In this case, the light beam diffracted by the birefringent acousto-optic element 100 to become the diffracted light 106 is reflected by the total reflection mirror 110 at any wavelength, and can follow the same optical path in reverse. The laser medium 14 can efficiently amplify the laser and oscillate the laser.
[0011]
Although this ETT laser has an advantage that the laser oscillation wavelength can be switched at high speed, background noise derived from broadband auto-fluorescence emitted from the laser medium 14 is harmful to high-sensitivity Raman spectroscopy. In other words, the broad spontaneous fluorescence (650 to 1100 nm in the case of titanium sapphire) emitted from the laser medium 14 is mixed with the laser oscillation light as the background radiation, so that the Raman scattered light has an intensity of about one hundred millionth of the excitation light. , It is necessary to use a band-pass filter together to remove background radiation. Even if the bandpass filter is rotated, the transmission wavelength changes only a few nm, so when trying to measure the Raman excitation profile using an ETT laser, it is necessary to prepare many bandpass filters for each excitation wavelength, which is very practical. It was not a target.
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a tunable laser having no background radiation. Another object of the present invention is to provide a Raman spectrometer capable of performing high-accuracy Raman spectrometry and quick measurement of a Raman excitation profile.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a wavelength tunable laser without a fluorescent background suitable for near-infrared Raman spectroscopy has been developed using the diffraction effect of a birefringent acousto-optic element.
The wavelength tunable laser according to the present invention has a wavelength tunable laser medium and a birefringent acousto-optic element for wavelength selection in a laser resonator configured by an emission side mirror having a predetermined transmittance and a total reflection mirror, In a wavelength tunable laser in which a prism as a wavelength dispersion correction element for a diffraction angle by a birefringent acousto-optic element is arranged, a wavelength tunable laser medium is arranged near the total reflection mirror, and birefringence is near the emission side mirror. And an acousto-optic element and a prism are arranged.
[0013]
It is preferable to set the distance between the birefringent acousto-optic element and the prism so that the fluctuation of the optical axis of the outgoing laser light when the wavelength is changed is one-tenth or less of the beam diameter of the outgoing laser light. If the optical axis fluctuation of the emitted laser light during wavelength tuning is within one-tenth of the beam diameter, the light irradiation point on the sample whose optical system converges it to about one-tenth of the effective beam diameter moves. It is estimated that there will be no effect on sample measurement.
The Raman spectrometer according to the present invention is a wavelength tunable laser, a spectroscope, an optical system for converging light emitted from the wavelength tunable laser to a sample, and scattered light from the sample to an entrance slit of the spectrometer. An optical system for condensing light is provided.
[0014]
When the wavelength tunable laser of the present invention is used, a background radiation light removing effect equal to or higher than that obtained when a bandpass filter is used without using a bandpass filter can be obtained. The major difference from the case where a bandpass filter is used is that the wavelength tunable laser of the present invention uses the wavelength selection element as it is as a filter for removing background radiation, and is therefore completely compatible with wavelength tunability.
[0015]
This tunable laser also has a very high pointing stability. In the Raman measurement, a laser beam is focused on a region of about 10 μm to irradiate the sample, and scattered light emitted from the region is analyzed. In the conventional Raman measurement using a wavelength tunable laser, the optical axis needs to be adjusted every time the wavelength is changed. However, when the wavelength tunable laser of the present invention is used, it is not necessary to readjust the optical axis. Therefore, Raman spectroscopy can be performed while freely changing the excitation wavelength.
[0016]
Furthermore, Raman spectra can be measured by measuring the Raman spectrum while sweeping the excitation wavelength.However, when using a conventional tunable laser, some internal standard is used to quantitatively analyze the relative band intensity. Was needed. With the tunable laser of the present invention, the error of the focal position due to the change of the excitation wavelength is very small, so the quantitative analysis of the relative band intensity by only correcting the laser intensity and the spectrometer device coefficient without using an internal standard Is possible.
The advantages of the tunable laser of the present invention in spectrum measurement are as follows.
[0017]
1. 1. No background noise 2. Easy operation and control 3. Stability of irradiation position and beam profile of TEM 00 4. The wavelength and intensity can be controlled accurately. Solid state laser (easy maintenance)
6. It has a wide tunable wavelength range (eg, 700-1000 nm when using titanium sapphire as the laser medium) suitable for Raman spectroscopy applications.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an optical system of an ETT laser without background radiation according to the present invention. The configuration of the resonator of the ETT laser according to the present invention is the same as the configuration of the resonator of the conventional ETT laser except that the positions of the output coupling mirror and the total reflection mirror are switched. The wavelength and intensity of the oscillating laser light are controlled by a programmed computer.
[0019]
In this example, a so-called Z-hold type laser resonator is used, in which the optical path of light reciprocating in the laser resonator has a Z-shape of an alphabet. The Z-hold type laser resonator includes an emission mirror 112 and a total reflection mirror 110 having a predetermined transmittance (for example, a reflectance of 98% and a transmittance of 2%). Further, the first intermediate mirror 37 that receives the excitation laser light A and reflects the light B that reciprocates between the emission side mirror 112 and the total reflection mirror 110 and the space between the emission side mirror 112 and the total reflection mirror 110 There is provided a second intermediate mirror 38 for reflecting the reciprocating light B, and the optical path of the light B reciprocating in the laser resonator has a Z-shape of an alphabet.
[0020]
Between the first intermediate mirror 37 and the second intermediate mirror 38 on the optical path of the laser resonator, a laser medium 14 having a Brewster-cut incident end face of incident light as a wavelength tunable laser medium, and an incident end face of which is incident light. Are arranged so as to have a Brewster's angle at which the reflection of light becomes zero, and laser oscillation is generated by the excitation laser light A by longitudinal coaxial excitation. A birefringent acousto-optic element 100 made of TeO 2 or the like is disposed as a wavelength selecting means between the second intermediate mirror 38 and the emission side mirror 112 on the optical path of the laser resonator.
[0021]
A piezoelectric element 22 driven by an RF power source 20 whose frequency is controlled by a personal computer 26 is attached to the birefringent acousto-optic element 100 as acoustic wave input means. Therefore, by driving the piezoelectric element 22 by the RF driver 20 set to an arbitrary frequency under the control of the personal computer 26 and exciting the acoustic wave corresponding to the frequency to the birefringent acousto-optical element 100, the birefringence is achieved. The acousto-optic device 100 diffracts the light D having the frequency ωo represented by the above equation (1). The piezoelectric element 22 diffracts only the light corresponding to the light B (frequency ωioωo) having the wavelength of the outgoing laser light C to be emitted from the emission side mirror 112 by the birefringent acousto-optic element 100 diffracted in a predetermined direction. The personal computer 26 controls the frequency ωa of the acoustic wave input to the birefringent acousto-optic element 100 so that the light is emitted as light D and laser resonance occurs.
[0022]
Between the birefringent acousto-optic element 100 and the exit side mirror 112, a prism 28 as a wavelength dispersion correction element for correcting the dispersion of the diffracted light D is provided. By using the wavelength dispersion correcting prism 28 having this diffraction angle, the direction of the emitted laser light C can be made constant. A pulse laser or a continuous wave laser (CW laser) can be used as the excitation laser 32 for injecting the excitation laser light A into the laser resonator. In this example, the laser medium was titanium sapphire, and 532 nm pulsed light (1.5 kHz) from a double frequency CW-Q switch Nd: YAG laser was used as the pumping light. The excitation laser light A generated by the excitation laser 32 is reflected by the total reflection mirror 36 by the total reflection mirror 34, collected by the total reflection mirror 36, and condensed by the laser medium 14 through the first intermediate mirror 37. Is input so as to excite the longitudinal coaxial excitation.
[0023]
In the above configuration, in order to obtain the output laser light C, the laser medium 14 is excited using the excitation laser light A incident by the excitation laser 32. In addition, the frequency ωa of the RF driver 20 is controlled by the personal computer 26 in accordance with the wavelength (frequency ωo) of the emission laser light C to be emitted from the emission side mirror 112, and the piezoelectric element 22 is driven. In this way, of the light in the wide wavelength band emitted from the laser medium 14 and incident on the birefringent acousto-optic element 100, light having a wavelength corresponding to the frequency of the RF driver 20 is converted into a birefringent acoustic wave. The light is diffracted by the optical element 100 as diffracted light D (frequency ωo). The diffracted light D is vertically incident on the output side mirror 112 via the wavelength dispersion correction prism 28 of the diffraction angle, is reflected by the output side mirror 112, and reciprocates in the laser resonator along a Z-shaped optical path. (Angle frequency ωi at the position of the laser medium 14). Therefore, only light having a wavelength corresponding to the frequency of the RF power supply 20 is amplified and laser oscillates, and the emitted laser light C (frequency ωo) having the wavelength is emitted from the laser resonator.
[0024]
The birefringent acousto-optic device was controlled by a double radio frequency driving (DRD) method in order to stabilize the laser output and the frequency. The first RF channel (RF1) of the birefringent acousto-optic driver supplies an RF signal to the birefringence acousto-optic 100 and changes the wavelength and intensity of the laser radiation. The second RF channel (RF2) is controlled to compensate for output fluctuations of RF1 and optimize at each frequency. As a result, the sum of the energy supplied from RF1 and RF2 to the birefringent acousto-optic device 100 is kept constant. The frequency of RF2 was fixed to 85 MHz corresponding to outside the laser oscillation wavelength range. The DRD method provides high reliability for wavelength (<0.1 nm) and intensity (<± 2% on average of 10 pulses; this stability is limited by the stability of the pump laser). The FWHM (Full Width at Half Maximum) of the spectrum was typically 0.2 nm or less.
[0025]
FIG. 3 is a schematic diagram of a Raman spectrometer using the tunable laser of the present invention shown in FIG. 1 as a light source. The light emitted from the wavelength tunable laser 150 is convergently applied to the sample 215 by the lens 210. The scattered light generated from the sample 215 is focused on the entrance slit of the triple polychromator 223 by the lenses 221 and 222. The spectral signal separated by the triple polychromator 223 was detected by the liquid nitrogen cooled CCD detector 224. The triple polychromator 223, the CCD detector 224, and the tunable laser 150 were all controlled simultaneously by the computer 26. The setting parameters of the spectrometry program for the spectrometer are an excitation wavelength, a measurement range, a slit width, an exposure time, and an integration count.
[0026]
FIG. 4 is a comparison diagram of a scattering spectrum measured under the same conditions using a conventional wavelength tunable laser and the wavelength tunable laser of the present invention by disposing an aluminum foil as a scatterer in a sample cuvette. The horizontal axis represents the wavelength difference from the light source wavelength (700 nm), and the vertical axis represents the count number of the CCD (signal intensity at the CCD detector, referred to as CCD count in this specification).
[0027]
As shown in FIG. 2, the spectrum a shows the case where a wavelength tunable laser in which a total reflection mirror is arranged on the side of the wavelength dispersion correcting prism 28 and an emission side mirror is arranged on the side of the laser medium 14 as shown in FIG. It is a scattering spectrum. As shown in FIG. 1, the spectrum b used the wavelength tunable laser of the present invention in which an emission side mirror was arranged on the side of the wavelength dispersion correcting prism 28 and a total reflection mirror was arranged on the side of the laser medium 14. It is a scattering spectrum in a case. The spectrum b 'is an enlarged view of the spectrum b.
[0028]
Comparing the intensity of the spectrum a with the Raman band of the maximum intensity of acetone put in the sample cuvette which is 0.3 CCD count when measured under the same conditions as the measurement of FIG. It can be seen that the level of the emitted light is two orders of magnitude higher than the signal level of a standard Raman material. On the other hand, when the wavelength tunable laser of the present invention is used, it can be seen that almost no noise caused by the spontaneous fluorescence of the laser medium 14 is observed. This indicates that the fluorescent component was removed by the birefringent acousto-optic device. The sharp peak and the increase in the baseline appearing on the smaller side of the Raman shift of the spectrum b 'are based on stray light. The stepwise intensity changes seen at 1900 cm -1 and 3300 cm -1 are artifacts created when combining a narrow range of spectral components to cover the entire frequency range.
[0029]
From the viewpoint of a Raman excitation light source, particularly from the viewpoint of resonance Raman excitation profile measurement, in addition to having no noise in the spectrum, stability of the irradiation point and high beam quality over the entire wavelength variable range are desired. FIG. 5 compares the beam profiles at the laser oscillation wavelength of 700 nm and 850 nm measured at a position 300 mm from the output side mirror of the variable wavelength laser of the present invention. The variation of the beam pattern and the beam center when the wavelength was changed was measured by a beam profiler mounted on a CCD head.
[0030]
The diffraction angle of the beam emitted from the birefringent acousto-optic element depends on the wavelength, and the difference between the diffraction angle for a wavelength of 700 nm and the diffraction angle for a wavelength of 1000 nm is theoretically 0.35 °. The beam separation due to the wavelength dependence of the diffraction angle can be reduced by bringing the prism closer to the birefringent acousto-optic element. In this example, the measurement was performed with the distance between the birefringent acousto-optic element and the prism being 2 cm. When the wavelength changed from 700 nm to 850 nm, the movement of the center of the beam was only 2 pixels (0.046 mm). Since the beam diameter is 56 pixels (1.29 mm) at 700 nm and 63 pixels (1.45 mm) at 850 nm, the displacement of the center point is practically negligible. The measured beam pattern indicated the TEM 00 mode. From these results, the beam profile from the wavelength tunable laser of the present invention is comparable to that of a normal titanium sapphire laser using a birefringent filter, a diffraction grating or a prism as a wavelength selection element, and the deviation of the optical axis is the same as the conventional one. It was confirmed that there was no inferiority to the ETT laser.
[0031]
FIG. 6 is a diagram showing an excitation Raman profile of deoxyhemoglobin in an aqueous solution, measured using the Raman spectrometer shown in FIG. FIG. 6 shows 17 Raman spectra measured by changing the excitation wavelength in the range of 700 to 860 nm in steps of 10 nm. The top spectrum has an excitation wavelength of 700 nm, the excitation wavelength becomes longer as going down, and the bottom spectrum has an excitation wavelength of 860 nm.
[0032]
No realignment of the optical axis was required throughout all measurements. Despite the long exposure time of 30 minutes, no background radiation from the laser was observed in the Raman spectrum. This result indicates that the tunable laser of the present invention has high performance as a light source for Raman spectroscopy.
[0033]
In order to compare resonance effects in spectra, the intensity of all measured data at different excitation wavelengths must be calibrated. In a normal Raman excitation profile measurement, a non-resonant internal standard is added to a sample for intensity calibration. However, enhancement effect in the case of measurement of the resonance sample also reached 10 6 times at the maximum must be added a large amount of internal standard. Internal standards cannot be used for in situ measurements because they can alter biological activity. Therefore, a theoretical method was used here to calibrate the intensity of the obtained spectrum. The parameters describing the intensity (Ir) of the Raman spectrum are as follows.
[0034]
Ir∝α (v) I O (ve) T (v) v 4 A (v) −1 c
α (v): enhancement effect of spectrum intensity due to resonance effect I 0 : excitation light intensity T (v): throughput of spectrometer and sensitivity of detector v: absolute wave number of Raman spectrum A (v): caused by sample Self-absorption c: sample concentration
T (v) is obtained by recording the spectrum of blackbody radiation with the present system. A (v) can be regarded as a constant because deoxyhemoglobin has a very weak absorption in the 700-1000 nm region. Since the Raman spectra of deoxyhemoglobin in FIG. 6 are all normalized by the above equation, it is possible to compare the intensity of the resonance effect depending on the excitation wavelength. The Raman spectrum excited at the maximum absorption wavelength of deoxyhemoglobin of 760 nm does not show a characteristic resonance enhancing effect. Due to the continuous decrease in Raman intensity as the excitation wavelength becomes longer, these resonance Raman spectra are more affected by the electronic transition called the Q band than the electronic transition observed in the 700 to 1000 nm region of deoxyhemoglobin. Suggests that it has been enhanced.
[0036]
【The invention's effect】
According to the present invention, a tunable laser without background radiation is obtained. Further, according to the present invention, a Raman spectrometer capable of performing high-accuracy Raman spectroscopic measurement and rapid measurement of a Raman excitation profile is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an optical system of an ETT laser without background radiation according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a conventional ETT laser.
FIG. 3 is a schematic diagram of a Raman spectrometer using a tunable laser of the present invention as a light source.
FIG. 4 is a comparison diagram of a scattering spectrum measured under the same conditions using a conventional tunable laser and the tunable laser of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a beam profile of the tunable laser of the present invention measured at 700 nm and 850 nm.
FIG. 6 is a diagram showing a result of Raman spectrum measurement of hemoglobin in an aqueous solution.
[Explanation of symbols]
14 wavelength variable laser medium, 20 RF power source, 22 piezoelectric element, 26 computer, 28 wavelength compensating prism, 32 excitation laser, 100 birefringent acousto-optical element, 110 total reflection mirror, 112 ... Exit mirror, 150 ... Tunable laser, 215 ... Sample, 223 ... Triple polychromator, 224 ... CCD detector

Claims (3)

所定の透過率を有する出射側ミラーと全反射ミラーとを有し、前記出射側ミラーと前記全反射ミラーとの間で光を往復させる光路を形成するレーザー共振器と、前記光路上に設けられた波長可変レーザー媒質と、波長選択用の複屈折性音響光学素子と、該複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散補正素子としてのプリズムを備えた波長可変レーザーであって、前記全反射ミラーに近い側に前記波長可変レーザー媒質を配置し、波長選択素子と背景放射光除去フィルタとを兼ねるように前記出射側ミラーに近い側に前記複屈折性響光学素子及び前記プリズムを配置した波長可変レーザーと、
前記波長可変レーザーからの出射光を試料に収束するための第1の光学系と、
試料からの散乱光を前記分光器の入射スリットに集光するための第2の光学系と
該第2の光学系により集光された光を分光する分光器と、
を備えることを特徴とするラマン分光測定装置
A laser resonator having an emission side mirror having a predetermined transmittance and a total reflection mirror, forming a light path for reciprocating light between the emission side mirror and the total reflection mirror, and provided on the optical path; a wavelength tunable laser medium was a birefringent acousto-optic device for wavelength selection, a wavelength tunable laser having a prism as a wavelength dispersion compensation device of the diffraction angle by the birefringent acousto-optic element, the total reflection It said wavelength tunable laser medium disposed closer to the mirror and placed the birefringent Hibiki optical element and the prism side closer to the output mirror to serve as a wavelength selection element and the background emission light removal filter wavelength With a tunable laser,
A first optical system for converging outgoing light from the tunable laser to a sample,
A second optical system for condensing scattered light from the sample on the entrance slit of the spectroscope;
A spectroscope that splits the light condensed by the second optical system,
A Raman spectroscopic measurement device comprising:
所定の透過率を有する出射側ミラーと全反射ミラーとを有し、前記出射側ミラーと前記全反射ミラーとの間で光を往復させる光路を形成するレーザー共振器と、励起レーザー光を入射させるとともに前記光路内の光を反射する位置に設けられた第1中間ミラーと、前記光路内の光と該光路内に入射する前記励起レーザー光とを反射する位置に設けられた第2中間ミラーと、前記光路上の前記第1中間ミラーと前記第2中間ミラーとの間に設けられ波長可変レーザー媒質と、前記光路上の前記第2中間ミラーと前記出射側ミラーとの間に設けられた波長選択用の複屈折性音響光学素子と、該複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散補正素子としてのプリズムと、を備え、前記光路上の前記第1中間ミラーと前記第2中間ミラーとの間に前記波長可変レーザー媒質を配置し、波長選択素子と背景放射光除去フィルタとを兼ねるように前記出射側ミラーに近い側に前記複屈折性音響光学素子及び前記該複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散補正素子としてのプリズムを配置したことを特徴とする波長可変レーザーと、
前記波長可変レーザーからの出射光を試料に収束するための第1の光学系と、
試料からの散乱光を前記分光器の入射スリットに集光するための第2の光学系と
該第2の光学系により集光された光を分光する分光器と、
を備えることを特徴とするラマン分光測定装置
A laser resonator having an emission side mirror having a predetermined transmittance and a total reflection mirror, forming a light path for reciprocating light between the emission side mirror and the total reflection mirror, and exciting laser light. A first intermediate mirror provided at a position for reflecting the light in the optical path, and a second intermediate mirror provided at a position for reflecting the light in the optical path and the excitation laser light incident on the optical path. a wavelength tunable laser medium disposed between the second intermediate mirror and the first intermediate mirror of said optical path, is provided between the second intermediate mirror and the output mirror on the optical path wavelength A birefringent acousto-optic element for selection, and a prism as a wavelength dispersion correction element for the diffraction angle of the birefringent acousto-optic element, wherein the first intermediate mirror and the second intermediate mirror on the optical path before between Place a wavelength tunable laser medium, the diffraction angle by the birefringent acousto-optical element and the birefringent acousto side closer to the output mirror to serve as a wavelength selection element and the background emission light removal filter A wavelength tunable laser , wherein a prism as a wavelength dispersion correction element is arranged ,
A first optical system for converging outgoing light from the tunable laser to a sample,
A second optical system for condensing scattered light from the sample on the entrance slit of the spectroscope;
A spectroscope that splits the light condensed by the second optical system,
A Raman spectroscopic measurement device comprising:
前記波長可変レーザーにおいて、
波長可変時の出射レーザー光の光軸の変動が出射レーザー光のビーム径の10分の1以下になるように、前記複屈折性音響光学素子と前記プリズムとの間隔を集束した試料上の光照射が移動しない程度に設定したことを特徴とする請求項1又は2に記載のラマン分光測定装置
In the tunable laser,
The light on the sample focused on the distance between the birefringent acousto-optic element and the prism so that the fluctuation of the optical axis of the emitted laser light when the wavelength is changed is less than 1/10 of the beam diameter of the emitted laser light. 3. The Raman spectrometer according to claim 1, wherein the irradiation is set so as not to move .
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