JP4394573B2 - 光コヒーレンストモグラフィー - Google Patents

Description

本発明は、
光ビームを発する光源と、
サンプル空間と、
光検出器と、
干渉計機構であって、リファレンス用反射器と、上記の光ビームを上記のリファレンス用反射器へ向かうリファレンスビームと上記のサンプル空間へ向かうサンプルビームとに分割し、上記の光検出器上において、リファレンス用反射器からの反射ビームをサンプル空間からの戻りビームと結合するビームスプリッタ−結合機構とを含む干渉計機構とを備えた、光コヒーレンストモグラフィーシステムに関するものである。

そのような光コヒーレンストモグラフィーシステムは、サイエンス第２５４号（１９９１年）、第１１７８−１１８１頁の論文「Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（光コヒーレンストモグラフィー）」より知られている。

この既知の光コヒーレンストモグラフィーシステムは、低コヒーレンス性の干渉計使用法を用いて、内部組織の微細構造からの光散乱の二次元画像を生成する。低コヒーレンス性の干渉計使用法、特に反射測定法（ｒｅｆｌｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）は、超短波のレーザーパルスを必要とせず、連続波の光で実行することができる。低コヒーレンス性の反射測定法では、サンプル空間に配されたサンプルから戻った光のコヒーレンス性が、サンプルの反射性境界および後方散乱個所からの飛行時間遅延に関する情報を与える。光コヒーレンストモグラフィーの解像度は、光源のコヒーレンス長によってのみ制限される。既知の光コヒーレンストモグラフィーシステムは、波長８３０ｎｍ、光パワー２０μＷで動作するスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）からの低コヒーレンス光で照射される、光ファイバーマイケルソン干渉計を含んでいる。二次元画像用のデータを取得するため、縦方向走査同士の間でサンプルビーム位置を横方向に並進させながら、一連の縦方向走査が行われる。

上記の引用論文は、さらなる改善が可能な光コヒーレンストモグラフィーのいくつかの側面を述べている。それらの側面とは、具体的には、鏡面状の表面を測定するために、サンプルビームの垂直に近い入射を実現するような光コヒーレンストモグラフィーシステムの角度アラインメントを採用することや、干渉計機構内において大きな開口数を用いること等である。さらに、上記の引用論文は、スペックルノイズが、組織の後方散乱特性の微妙な違いの検出に悪影響を与えること、また、散乱が吸収よりも優勢である状況において光コヒーレンストモグラフィーの深さ範囲を制限する、散乱光の形態のエコーを増強させることを指摘している。

本発明の１つの目的は、より大きな侵入深さ範囲に達することができる光コヒーレンストモグラフィーシステムを提供することである。

上記の目的は、
光源が、１．６μｍから２．０μｍの範囲内にある出射波長を有し、特に、高エネルギー準位と低エネルギー準位との間の遷移に対応する１．８μｍの波長において、主たる赤外出射を有しており、
上記の光源が、ポンピング準位から上記の高エネルギー準位への誘導放射を発生させる励起システムを含んでいる、本発明に係る光コヒーレンストモグラフィーシステムにより達成される。

したがって、本発明に係る光コヒーレンストモグラフィーシステムは、検査対象の組織が、低い光吸収性と、血管を含む検査対象の組織における低い散乱性との両方を有するような波長において動作する。特に、散乱は１．６μｍよりも大きい波長で減少し、主として組織内の水分による吸収は１．６μｍよりも大きい波長で増大するが、２．０μｍ未満の波長では、吸収もほどほどの水準に維持されるので、十分な数の光子が、組織内へと侵入し、光検出器へと戻って、有用な検出信号を形成することができる。さらには、１．６μｍから２．０μｍの波長範囲では、組織の変り目において実質的な散乱が生じる。さらに、１．６−２．０μｍの範囲は、ヘモグロビンやオキシヘモグロビンといった血液の主要成分の吸収帯よりも、わずかに高い。特に、１．８μｍの波長においては、波長の関数としての水分による吸収が、極小となる。したがって、１．８μｍの波長では、侵入深さと、光検出器により形成される検出信号の信号レベルとについて、特に良好な結果が実現される。さらに、血管壁を検査するため、血管の内部から光コヒーレンストモグラフィーによる撮像が適用される際にも、１．６−２．０μｍの波長範囲は有利である。血管中の血液によるサンプルビームおよび戻りビームの吸収が比較的低いため、これらのビームは、低い減衰で血管内の血液を通過することができ、検出信号に関し、有用な信号対雑音比が実現される。

１．８μｍ付近の光源波長を用いた光コヒーレンストモグラフィーによる撮像自体は、Ｂ．Ｅ．Ｂｏｕｍａらによる論文「Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｔｉｓｓｕｅ ａｔ １．５５μｍ ａｎｄ １．８１μｍ ｕｓｉｎｇ Ｅｒ− ａｎｄ Ｔｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ（１．５５μｍおよび１．８１μｍにおける、ＥｒドープおよびＴｍドープファイバー源を用いた光コヒーレンストモグラフィーによる人体組織の撮像）」、ジャーナル・オブ・バイオメディカル・オプティクス、第３号（１９９８年）、第７６−７９頁で提案されている。しかしながら、既知のＴｍドープファイバー源のポンピング効率は、非常に低かった。したがって、検出信号の十分な信号対背景比および信号対雑音比を実現するには、既知のＴｍドープファイバー源は、実現が極めて困難なポンピング準位でポンピングされなくてはならない。さらに、Ｔｍの濃度を増大させることは、隣接するＴｍ原子間の交差緩和を増大させるので、１．８μｍにおける出射光強度の増大には繋がらない。

本発明によれば、高準位への誘導放射を可能とし、その高準位の電子数を増加させることにより、ポンピング効率が高められる。ポンピング準位から高準位への誘導放射は、励起システムによって実現される。この目的のため、この励起システムは、ポンピング準位と高準位との間の遷移に対応する放射の損失を低減するように設計されている。特に、これらの低減させられた損失により、ポンピング準位と高準位との間の遷移の、レーザー閾値が低くなる。励起システムは、種々の環境条件の組合せに影響を与えることにより、これらの損失を低減するように設計されている。たとえば、ポンピング準位から高準位への遷移に対応する放射に対して高い反射率を有するキャビティ反射器を設けること等により、ポンピング準位から高準位への遷移に対する、Ｔｍファイバーのキャビティ損失が低減させられる。さらに、ファイバーのガラス中における周囲のＴｍ原子により、多フォノン放射が影響を受ける。過度に高い最大フォノンエネルギーは、高準位と低準位との間の放射性の遷移と、高準位からの多フォノン放射との、好ましくない競合を引き起こす。一方、多フォノン放射は、ポンピング準位から高準位への遷移を手助けし、ポンピング準位から十分な電子数を高準位にもたらすので、過度に低い最大フォノンエネルギーは、低いポンピング効率へと繋がる。本発明によれば、励起システムは、ポンピング準位と高準位との間に、ポンピング効率を大幅に高める誘導放射を可能とするようなレーザー閾値を有する、キャビティとファイバー型のガラスとの組合せを含むものとされる。

これらおよびその他の本発明の側面は、以下、従属請求項において規定される実施形態を参照して、より詳しく説明される。

本発明によれば、約１．８μｍの波長の光ビームを発生させる特に好ましい低コヒーレンス性光源は、キャビティ反射器により形成された光キャビティ内に配された、Ｔｍ（ツリウム）ドープファイバーによって形成される。波長１．８μｍの光（赤外）放射は、ファイバー内のＴｍ原子中の、^３Ｆ_４→^３Ｈ_６の高準位から低準位への遷移に由来する。この遷移は、^３Ｈ_６の基底状態を、^３Ｈ_４の励起準位に、すなわち一部が^３Ｆ_４の高準位に緩和するポンピング準位に励起する、約７９０ｎｍの波長のポンピング放射により光ポンピングされ得る。

^３Ｈ_４の励起準位が基底状態に緩和することによる７９０ｎｍ周辺の誘導放射を低減するため、好ましくは、キャビティ反射器には、７６０−８１０ｎｍの波長範囲に対する反射防止コーティングが施される。これにより、７９０ｎｍの高コヒーレンス性の（赤外）レーザー光の出射が、実質的に防止される。

好ましくは、キャビティ反射器は、２．２−２．４μｍの範囲内の波長に対して典型的には０．９９より高い反射率を有する、高反射率コーティングを有している。これにより、典型的には２．３μｍにおいて生じる^３Ｈ_４→^３Ｈ_５の遷移の誘導放射を取り込むことよって、^３Ｆ_４準位の光ポンピング効率が高められる。^３Ｈ_５準位は、^３Ｆ_４準位への非放射性遷移のため、約１０マイクロ秒の比較的短い持続時間を有する。

好ましくは、キャビティ反射器は、１．４０−１．５５μｍの波長範囲内において、典型的には０．９９より高い反射率を有する。これにより、^３Ｈ_４→^３Ｆ_４の遷移が誘導放射を含むこととなり、したがって^３Ｆ_４準位のポンピング効率が高められることとなる。

高準位と低準位との間のレーザー動作の発生が防止され、１．６−２．０μｍの波長範囲内における出射光のコヒーレンス長が短くなるように、光キャビティは、好ましくは、１．６−２．０μｍの範囲内の波長に対して、０．０４未満の反射率を有する。したがって、特に波長１．８μｍにおけるレーザー動作の発生が防止され、１．８μｍにおける、低コヒーレンス性の赤外光の出射が実現される。典型的には、コヒーレンス長

に対応する、約２００ｎｍのバンド幅が実現される。

本発明はさらに、光増幅器にも関するものである。本発明に係る光増幅器は、請求項８に記載されている。本発明の光増幅器は、Ｌバンド、たとえば光通信ネットワークの１５７０−１６１０ｎｍの波長範囲内における、ブロードバンド増幅器として有利に用いられる。

本発明はさらに、Ｔｍドープ光ファイバーにも関するものである。本発明に係る光ファイバーは、請求項９に記載されている。二重クラッド層は、ポンピング光の追加の案内性能をもたらす。したがって、ポンピング光の光源、たとえば主として７９０ｎｍの波長領域内のポンピング波長で出射する半導体レーザーを、ファイバーのコアサイズにほぼ等しいスポットサイズに精確に集光させる必要はなくなり、コアサイズよりも実質的に大きなスポットサイズに集光すればよいことになる。さらに、二重クラッドは、出力放射または増幅された出力放射がシングルモードのままに維持されるようなマルチモード態様で、Ｔｍドープ光ファイバーが光ポンピングされることを可能とする。

以下、実施形態と図面とを参照して、本発明の上記およびその他の側面を説明する。

図１は、本発明に係る光コヒーレンストモグラフィーシステムを概略的に表した図である。この光コヒーレンストモグラフィーシステムは、光ファイバー（ｏｆ）内へと光ビーム（ｏｂ）を発する光源１を備えている。この光ビームは、光源の出射面から、光ファイバー（ｏｆ）を通って伝播する。ビームスプリッタ−結合機構４は、２×２ファイバー結合器（ｏｃ）の形態で実装されている。２×２ファイバー結合器（ｏｃ）は、光ビーム（ｏｂ）を、リファレンスビーム（ｒｂ）とサンプルビーム（ｓｂ）とに分割する。リファレンスビームは、リファレンス用ファイバー（ｒｆ）を通って、リファレンス用反射器３を含む高速走査遅延ライン１１へと進む。サンプルビームは、サンプル用ファイバー（ｓｆ）を通り、測定ヘッド１２を介して、サンプル空間５へと進む。反射器３からの反射ビーム（ｒｆｂ）と戻りビーム（ｒｔｂ）とは、ビームスプリッタ−結合機構４へと戻る。ビームスプリッタ−結合機構４は、反射ビーム（ｒｆｂ）を戻りビーム（ｒｔｂ）と結合し、結合されたビームは、検出用ファイバー（ｄｆ）を介して、光検出器２に供給される。ビームスプリッタ−結合機構４から光源１へと向かう放射部分は、第２の２×２ファイバー結合器１３により阻まれ、いわゆるバランス検出を行って光検出器の出力信号中のノイズを低減するために、光検出器の第２のポートへと送られる。バランス検出は、光検出器信号とリファレンス信号との、自動的な拡大縮小および減算処理によって行われる。光検出器信号は、検出用ファイバーにより供給される結合されたビームの強度から導出され、リファレンス信号は、第２の２×２ファイバー結合器から取得される。これにより、特に光源中で発生する共通のノイズが除去される。

リファレンス用ファイバーと、リファレンス用反射器を伴う測定ヘッドとは、この干渉計機構のリファレンスアームを形成している。サンプル用ファイバーは、測定ヘッドと共に、この干渉計機構のオブジェクトアームを形成している。リファレンスアームの光路長は、高速走査遅延ライン１１中のリファレンス用ミラー３を傾けることにより、調節可能である。光検出器において干渉が生じ、干渉計機構の両アームの光路長が等しいとき、正の干渉が観測される。したがって、ユーザーは、リファレンスアームの光路長を設定することにより、実質的な信号レベルを有する光検出器信号が得られる、サンプル空間内すなわち検査対象内の狭い窓部分を選択する。種々の光学要素の非常に敏感なアラインメント取りを避けるために、干渉計機構を、図１に示すような光ファイバー形式で構成することが有利である。測定ヘッド１２は、検査対象上にサンプルビーム（ｓｂ）を走査し集光するための、走査ミラー１４および集光レンズ１５を含んでいる。

図２は、本発明の光コヒーレンストモグラフィーシステムにおいて使用される光源を概略的に表した図である。本発明に係る光コヒーレンストモグラフィーシステムのための光源は、キャビティ反射器７、８により形成された光キャビティ内に配された、ツリウムドープ光ファイバー６を含んでいる。入射側のキャビティ反射器７には、約７９０ｎｍの波長を有するポンピング光が入射する。出射側のキャビティ反射器からは、１．６−２．０μｍの範囲内の波長を有する出射波長が出射される。この光ファイバーに適した１つの材料は、フッ化ジルコニウムガラス（ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｇｌａｓｓ）である。これは、フッ化ジルコニウムガラスの有する最大フォノンエネルギーが、一方では高準位から低準位へ遷移する際の放射が非放射損失に対して好ましい分岐比を有し、他方ではポンピングが十分に手助けされるような範囲内にあるためである。

図３には、Ｔ．Ｓｃｈｗｅｉｚｅｒ、Ｂ．Ｎ．Ｓａｍｓｏｎ、Ｊ．Ｒ．Ｈｅｃｔｏｒ、Ｗ．Ｓ．Ｂｒｏｃｋｌｅｓｂｙ、Ｄ．Ｗ．ＨｅｗａｋおよびＤ．Ｎ．Ｐａｙｎｅが「Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｏｎ−ｉｏｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｕｌｉｕｍ− ａｎｄ ｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｇａｌｌｉｕｍ ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｕｌｐｈｉｄｅ ｇｌａｓｓ（ツリウムおよびテルビウムがドープされた硫化ガリウム・ランタンガラスの赤外放射とイオン−イオン相互作用）」、ジャーナル・オブ・ザ・オプティカル・ソサエティー・オブ・アメリカ、Ｂ １６号、第３０８−３１６頁（１９９９年）に掲載したＴｍのエネルギー図が、概略的に示されている。１．８μｍのＴｍの蛍光は、^３Ｆ_４→^３Ｈ_６の遷移に由来する。^３Ｆ_４準位をポンピングするためには、８００ｎｍ周辺の波長を有する光が用いられ、^３Ｈ_４準位が励起される。この励起された^３Ｈ_４準位は、非放射性に加えて放射性の遷移により、^３Ｈ_５（２．３μｍ）と^３Ｆ_４（１．４７μｍ）との準位に緩和する。一般的に、^３Ｆ_４準位への非放射性の遷移のため、^３Ｈ_５準位は、１０マイクロ秒周辺の比較的短い持続時間を有する。シリカガラス中の高い最大フォノンエネルギー（約１１５０ｃｍ^−１）のため、多フォノン放射と高準位からの放射との競合により、ルミネッセンスの発光量は制限される。一方、多フォノン放射は、ポンピング準位すなわち^３Ｈ_４準位から、好ましいルミネッセンスに対応する高準位すなわち^３Ｆ_４準位への崩壊をもたらすため、このポンピングプロセスにおいて重要である。過度に低いフォノンエネルギーは、結果として、低いポンピング効率を招き得る。この効果の一例が、Ｔｍの^３Ｆ_４→^３Ｈ_６の遷移によって与えられる。最大フォノンエネルギーが５９０ｃｍ^−１であるＺＢＬＡＮガラスでは、^３Ｆ_４→^３Ｈ_６の遷移は、高い放射量を産するが、低いポンピング効率による制限を受ける。フッ化ジルコニウム系ホストにおける^３Ｆ_４準位のポンピング効率は、高いドーパント濃度（＞１％）を用いることにより高めることができる。より高いドーパントレベルでは、隣接するＴｍ^３＋イオン間の（^３Ｈ_４，^３Ｈ_６）→（^３Ｈ_４，^３Ｆ_４）の交差緩和機構が有効となり、それにより、各ポンピング光子が吸収されるごとに、２つのイオンが^３Ｆ_４の高準位に励起されるようになる。１つの励起されたイオンは、基底状態にあるイオンと相互作用し、最終的には両イオンともが^３Ｆ_４準位となる。結果として、交差緩和プロセスが、^３Ｈ_４準位のための追加の崩壊経路を提供することとなり、それにより、いわゆる濃度消光が誘起されて、その持続時間が短くなる。

本発明によれば、２．３μｍの^３Ｈ_４→^３Ｈ_５の遷移と、１．４７μｍの^３Ｈ_４→^３Ｆ_４の遷移との誘導放射を取り込むことにより、^３Ｆ_４準位のポンピング効率が高められる。この目的のため、ファイバーは、特殊なコーティングを有するキャビティ反射器を形成する、以下の基準に従う２枚のミラーと突合せ接続される。

１．低い励起では、^３Ｈ_４準位の分岐比は、８９％が緩和して直接に基底状態へと戻るような分岐比である。この８００ｎｍ周辺の遷移の誘導放射を低減するため、ミラー達は、７６０−８１０ｎｍに対する反射防止コーティングを有しているべきである。

２．^３Ｈ_５準位への分岐比２．４％を増大させるために、ミラー達は、波長範囲２．２−２．４μｍにおいて高反射率コーティング（＞９９％）を有しているべきである。フッ化ジルコニウムガラスのファイバー光源を作製することにより、フォノンエネルギーは、多フォノンプロセスを介して^３Ｈ_５準位を^３Ｆ_４準位に効率的に緩和するのに十分な大きさとなる。

３．^３Ｆ_４準位への分岐比８．３％を増大させるために、ミラー達は、波長範囲１．４０−１．５５μｍにおいて高反射率コーティング（＞９９％）を有しているべきである。

４．１．８μｍ周辺の増幅された自発放射量を増大させつつ、同時に装置のレーザー動作を防止し、それにより放射スペクトルを可能な限り広く保つため、１．６−２．０μｍの波長範囲に対して、入射側のミラーは高い反射係数（＞９９％）を有するべきであり、出射側のミラーは低い反射係数（＜１％）を有するべきである。あるいは、小さな設計変更、すなわち両ミラーともが１．８μｍにおいて反射防止コーティングを有するべき設計とすることにより、この光源を、光通信ネットワークにおけるＬバンド内のブロードバンド増幅器として利用することが可能となる。

一方では、良好な集光性を維持するため、すなわち１．８μｍ周辺の波長範囲における空間モードを限られた量に維持するため、カットオフ波長として高い波長を選択するべきではない。他方では、半導体レーザーダイオードによる８００ｎｍにおけるポンピングは、それなりのコアサイズを必要とする。１．８μｍよりもわずかに短いカットオフ波長が、魅力的な選択肢のようである。さらには、二重クラッド層を用いれば、ポンピング光の追加の案内性能がもたらされる。ファイバーのコアサイズ（７−１０μｍ）にほぼ等しいスポットサイズに半導体レーザー光を集光することができない場合には、この追加の案内性能は魅力的である。

ファイバー長とＴｍの濃度とは関連がある。７９０ｎｍにおけるＴｍの吸収断面積は、３×１０^−２１ｃｍ^２である。１％の濃度は、８×１０^１９イオン／ｃｍ^３に相当し、０．２４ｃｍ^−１すなわち約１００ｄＢ／ｍの吸収をもたらす。通常、ポンピング光は、１２５ｍｍの直径を有する第１のクラッドにより案内される。したがって、ポンピング光の有効な減衰はずっと小さく、たとえば２−５ｄＢ／ｍとなる。その結果、１％のドーパント濃度においては、０．５−１ｍのファイバー長で十分である。

本発明に係る光コヒーレンストモグラフィーシステムを概略的に表した図 本発明の光コヒーレンストモグラフィーシステムにおいて使用される光源を概略的に表した図 ツリウムのエネルギー準位図

Claims (7)

1. 第１キャビティ反射器及び第２キャビティ反射器から成る光キャビティと、
   前記光キャビティ内に配置されるTm添加光媒体と、
   前記Tm添加光媒体中の ³ H ₆ 準位のTmイオンを ³ H ₄ 準位に励起する励起光源と、
   を有し、
   第１キャビティ反射器と第２キャビティ反射器の反射率が、 ³ H ₄ 準位から ³ F ₄ 準位への誘導放射を増大させるために、これらの準位間の遷移の放射に対応する波長に対して高められており、
   第１キャビティ反射器と第２キャビティ反射器の反射率が、 ³ H ₄ 準位から ³ H ₅ 準位への誘導放射を増大させるために、これらの準位間の遷移の放射に対応する波長に対して高められており、
   第１キャビティ反射器と第２キャビティ反射器の反射率が、 ³ H ₄ 準位から ³ H ₆ 準位への誘導放射を低減するために、これらの準位間の遷移の放射に対応する波長に対して低減されている、
   ³ F ₄ 準位と ³ H ₆ 準位との間の遷移の放射に対応する波長の光を生成するための光源。
2. ³ H ₄ 準位から ³ F ₄ 準位への遷移の放射に対応する波長に対する第１キャビティ反射器と第２キャビティ反射器の反射率が９９％を超え、
   ³ H ₄ 準位から ³ H ₅ 準位への遷移の放射に対応する波長に対する第１キャビティ反射器と第２キャビティ反射器の反射率が９９％を超える、請求項１に記載の光源。
3. ³ F ₄ 準位から ³ H ₆ 準位への放射量を増大させつつ、これらの準位間のレーザ動作を防止するように、これらの準位間の遷移の放射に対応する波長に対する反射率が、第１キャビティ反射器と第２キャビティ反射器のうちの一方では高められ、他方では低減されている、請求項１又は請求項２に記載の光源。
4. 前記Tm添加光媒体がTm添加光ファイバーである、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光源。
5. 前記Tm添加光ファイバーが、フッ化ジルコニウムガラスファイバーである、請求項４に記載の光源。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光源を用いた光コヒーレンストモグラフィーシステム。
7. 請求項１又は請求項２に記載の光源を用いた光増幅器。

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