JP5463913B2 - 広帯域光増幅器、光パルス発生装置及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、超短光パルスを発生させるための広帯域光増幅器、この増幅器を使った光パルス発生装置及びこの光パルス発生装置を使った光学機器に関するものである。

フェムト秒パルスレーザーの活用例としては、高時間分解能を生かした分光への応用がある。位相緩和・内部転換・光化学反応・分子振動等、フェムト秒領域に特徴的な現象は数知れず、フェムト秒パルスレーザーの応用性は広がりつつある。このような現象は、数十フェムト秒以下での非常に早い時間領域で観察される現象であるため、より早い時間領域のフェムト秒パルスレーザー光源が求められている。
特開２００１−０６６６５３号公報

しかしながら、更なる短パルス化という観点からより速い現象を観測するためにより高い時間分解能が求められている。つまり、５フェムト秒を下回る超短光パルスやアト秒パルスの光パルス発生装置であるフェムト秒パルスレーザー光源が要望されている。

本発明の目的は、超短光パルスを発生させるために、広帯域の信号増幅を可能とする広帯域光増幅器を提供することである。また本発明の目的は、この広帯域光増幅器を使った光パルス発生装置及びこの光パルス発生装置を使った光学機器を提供することである。

第１の観点による広帯域光増幅器は、所定の波長範囲を有する被増幅光と第１波長の第１励起光とから、所定の波長範囲のうち第１範囲の波長が増幅された被増幅光を射出する第１増幅器と、第１範囲の波長が増幅された被増幅光と第１波長と異なる第２波長の第２励起光とから、第１範囲と異なる第２範囲の波長が増幅された被増幅光を射出する第２増幅器と、を備える。

第２の観点による光パルス発生装置は、所定周波数を出力する基本レーザー光源と、基本レーザー光源からのレーザー光を第Ｎ高調波に変換して第１励起光を射出する第１変換器と、基本レーザー光源からのレーザー光を第Ｎ＋１高調波に変換して第２励起光を射出する第２変換器と、所定の可視範囲を有する被増幅光と、被増幅光と第１励起光とを入射し、第１範囲の波長が増幅された被増幅光を射出する第１増幅器と、この第１範囲の波長が増幅された被増幅光と第２励起光とを入射し、第１範囲と異なる第２範囲の波長が増幅された被増幅光を射出する第２増幅器と、を備える。
第３の観点による光学機器は、第２の観点の光パルス発生装置を使用した光学機器である。

本発明によれば、広帯域の信号増幅を可能とする広帯域光増幅器を提供することができる。

第１実施例の広帯域光増幅器１０の概略図である。 信号光が励起光によって増幅されることを示す図である。 第２実施例の広帯域光増幅器３０の概略図である。 第１実施例及び第２実施例の白色光線ＷＨの増幅に関する概念図である。 第３実施例の広帯域光増幅器３０の概略図である。 第４実施例の広帯域光増幅器４０の概略図である。 第１から第４実施形態までの広帯域光増幅器を用いたフェムト秒パルスレーザー光源を光源として利用した二光子励起蛍光顕微鏡装置５１の概略構成図である。 第１から第４実施形態までの広帯域光増幅器を用いたフェムト秒パルスレーザー光源を光源として利用した非線形光学顕微鏡装置５３の顕微鏡部分の構成図である。

符号の説明

ＢＳ … ビームスプリッタ
ＮＯＰＡ … 非共直線光パラメトリック増幅器
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５ … 平面ミラー
ＳＨＧ … 第２高調波発生器
ＴＨＧ … 第３高調波発生器
ＦＨＧ … 第４高調波発生器
ＴＳＬ … チタンサファイヤレーザー光源
ＣＬ … シリンドリカルレンズ
ＰＲ … プリズム
ＷＨ … 白色光線
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ２１、Ｌ２２ … 増幅された信号光
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ … 励起光である光線（７９０ｎｍ）、光線（３９５ｎｍ）、光線（２６３ｎｍ）、光線（１９８ｎｍ）
ＳＭ … 標本
１１０ … フェムト秒パルスレーザー光源
１１１ … ステージ
１１３ … ビームエキスパンダ
１１４ … リレー光学系
１１５ … ダイクロイックミラー
１１７Ａ，１１９ … 絞り
１１７ … 対物レンズ
１１８ … 結像レンズ
１２０，１２４，１２７，１２９ … レンズ
１２１ … フェムト秒パルスレーザー光源、１２２ … レーザー光源
１２５ … ミラー
１２６ … 分光素子
１２８ … 遮光部材
１３０ … コントロールユニット
２００，３００ … 検出部
２０１ … 光電子増倍管（ＰＭＴ）
２１１ … 二光子励起観察用のバンドパスフィルタ
２１１’ … 第二高調波を透過しそれ以外の光をバンドパスフィルタ

＜第１実施例＞
本発明による第１実施例の広帯域光増幅器１０の実施の形態を、図１を参照して詳細に説明する。図１は、広帯域光増幅器１０の概略図である。

この広帯域光増幅器１０は、筐体１１内にチタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬと、ビームスプリッタＢＳと、ビームスプリッタＢＳで分岐された一方の光線Ｌ１が入射する第１周波数変換器及び第２周波数変換器とを備えている。第１周波数変換器は例えば第２高調波発生器ＳＨＧであり、第２周波数変換器は例えば第３高調波発生器ＴＨＧである。また広帯域光増幅器１０は、ビームスプリッタＢＳで分岐された他方の光線Ｌ１が入射する自己位相変調器ＳＰＭと、光線を屈折させる屈折光学素子であるプリズムＰＲと、第１非共直線光パラメトリック増幅器（Non-collinear Optical Parametric Amplifier）ＮＯＰＡ１と、第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２とを備えている。非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡの原理は、一般に知られているＯＰＡの原理を拡張したものであり、簡単には以下の通りである。ＯＰＡは非線形光学結晶の２次の非線形分極による増幅であり、非線形光学結晶内で励起光と信号光とアイドラー光とがエネルギー保存則と運動量保存則を同時に満たす条件で増幅が起きる。運動量保存則は、励起光と信号光との位相整合条件と等価である。励起光の照射によって非線形光学結晶が励起されている間に、信号光が入射すると、この信号光は光パラメトリック効果によって増幅を受ける。この場合には、屈折率の異方性が充分に大きくとれないので、位相整合条件を満たす帯域が狭い範囲に限定され、パルス幅が２０ｆｓ程度以下に狭くならない。このような制約を取り除き、白色光のような広帯域光の増幅を行うことを可能にしたのがＮＯＰＡである。信号光と励起光をある非同軸角で非線形光学結晶中に入射させると、アイドラー光の群速度の信号光方向の射影成分が、信号光の群速度と一致し、信号光とアイドラー光の群速度不整合が消失して、同軸配置に比べて一桁も大きなバンド幅が得られるようになる。一般に位相整合には、ｔｙｐｅ−Iとｔｙｐｅ−ＩＩの２種類があるが、本実施形態では、励起光を異常光線、信号光とアイドラー光とを常光線とするｔｙｐｅ−Iの位相整合でＮＯＰＡを構成する。増幅による利得と利得帯域は、非線形光学結晶のカッティングアングル、励起光と信号光との非同軸角、励起光の入射角などのパラメーターに依存し、これらの最適値は数値計算により算出することが可能である。

チタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬは、出力１．４ｗ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返しパルス１ｋＨｚ及び波長７９０ｎｍの光線Ｌ１を発する。そのチタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬが発した光線Ｌ１はビームスプリッタＢＳによって分岐される。チタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬが発した光線Ｌ１の約９０パーセントの光線Ｌ１が第２高調波発生器ＳＨＧに向かい、約１０パーセント以下の光線Ｌ１が自己位相変調器ＳＰＭに向かう。

ビームスプリッタＢＳによって分岐された一方の光線Ｌ１は、第２高調波発生器ＳＨＧに入射し、この第２高調波発生器ＳＨＧから光線Ｌ１と３９５ｎｍの波長の第２高調波光である光線Ｌ２とが出射される。また、光線Ｌ１と光線Ｌ２とは第３高調波発生器ＴＨＧに入射し、この第３高調波発生器ＴＨＧから光線Ｌ１、光線Ｌ２及び２６３ｎｍの波長の光線Ｌ３を出射する。光線Ｌ２及び光線Ｌ３は、後述する白色光線ＷＨの励起（pump）光となる。

光線Ｌ１、光線Ｌ２及び光線Ｌ３は、屈折光学素子に入射する。屈折光学素子は例えばプリズムＰＲである。プリズムＰＲは波長による屈折率の違いにより、光線Ｌ１、光線Ｌ２及び光線Ｌ３をそれぞれ分離する。分離された光線Ｌ２は所定の角度で第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１に入射するように第１ミラーＭ１で反射される。また分離された光線Ｌ３は所定の角度で第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２に入射するように第２ミラーＭ２で反射される。

ビームスプリッタＢＳによって分岐された他方の光線Ｌ１は、自己位相変調器ＳＰＭに入射する。自己位相変調器ＳＰＭにより、非線形性媒質に光を強く集光した際におこる非線形屈折率変化によって周波数を変調させ、入力光を広帯域のスペクトルを持つ白色光に変換することができる。自己位相変調器ＳＰＭは、具体的には非線形光学素子であるフッ化物ガラスであり、チタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬの光線Ｌ１を少なくとも３５０ｎｍから７９０ｎｍの波長幅を有する白色光線ＷＨに変換する。この白色光線ＷＨは、広帯域光増幅器１０の被増幅光であるところの信号（Signal）光となり、所定の角度で第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１と第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２とに入射するように、第３ミラーＭ３及び第４ミラーＭ４で反射される。

第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１と第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２は、非線形光学結晶から構成され、具体的にはＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶、ＫＡＢＯ（Ｋ_２Ａｌ_２Ｂ_２Ｏ_７)結晶、ＢＮＡ結晶又はＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶を使用することができる。これらは二種類以上の光波と同時に相互作用するような性質をもっている結晶である。なお、ＢＢＯ結晶などは湿度により性能が変動するので乾燥窒素パージを行い、ＢＢＯ結晶などの性能を一定に維持する。

信号光である白色光線ＷＨと励起光である光線Ｌ２とが非同軸角で第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１に入射する。すると、光線Ｌ２が第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１に入射することで第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１が励起され、第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１内にアイドラー光ＩＤが発生する。そのアイドラー光ＩＤの群速度の信号光方向の射影成分が白色光線ＷＨの群速度と一致した時、信号光である白色光線ＷＨが増幅される。そして第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１は増幅された信号光Ｌ１１を出射する。

増幅された信号光Ｌ１１は、励起光である光線Ｌ３と非同軸角で第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２に入射する。すると、光線Ｌ３が第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２に入射することで第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２が励起され、第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２内にアイドラー光ＩＤが発生する。アイドラー光ＩＤの群速度の信号光方向の射影成分が信号光Ｌ１１の群速度と一致した時、信号光Ｌ１１が増幅される。そして第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２は増幅された信号光Ｌ１２を出射する。

図１の右下図は、自己位相変調器ＳＰＭから第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１までの白色光線ＷＨの波長と強度とを示した図である。この右下図に示すように白色光線ＷＨは少なくとも３５０ｎｍから７９０ｎｍの波長幅を有し強度は弱い。

図１の右中図は、第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１から第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２までの光線Ｌ１１の波長と強度とを示した図である。この右中図に示すように、光線Ｌ２（波長３９５ｎｍ）の励起によって光線Ｌ１１は約５００ｎｍから７９０ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅されている。但し光線Ｌ２（波長３９５）の励起によって光線Ｌ１１の約３５０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲が増幅されていない。

図１の右上図は、第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２以降の光線Ｌ１２の波長と強度とを示した図である。この右上図に示すように、光線Ｌ３（波長２６３ｎｍ）の励起によって光線Ｌ１２は約３５０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅されている。光線Ｌ１２は、すでに増幅されている光線Ｌ１１の約５００ｎｍから７９０ｎｍの波長範囲と合わせて、約３５０ｎｍから７９０ｎｍまでの波長範囲が増幅されている。

図２を使って信号光が励起光によって増幅される概念について説明する。
図２（ａ）において、励起光である光線Ｌ２が第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１に入ると第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１が励起され、アイドラー光ＩＤが発生し、白色光線ＷＨを増幅させる。（ａ）では数倍の増幅のように描かれているが数十倍から数百倍に増幅することができる。同様に、励起光である光線Ｌ３が第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２に入ると第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２が励起され、アイドラー光ＩＤが発生し、信号光Ｌ１１を増幅させる。但し、図２（ａ）はアイドラー光ＩＤの群速度の信号光方向の射影成分が信号光Ｌ１１の群速度と一致していることを前提として描かれている。

アイドラー光ＩＤが発生する方向は、ＢＢＯ結晶などの非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡに入る励起光の波長、並びにＢＢＯ結晶などの種類及び結晶軸などによって異なる。

図２（ｂ）は、ＢＢＯ結晶などの非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡに入射する信号光と励起光との関係を示している。信号光と励起光との非線型結晶内部での内角度α及び励起光とＢＢＯ結晶などの光軸ＯＡとのなす角度θに基づいて、位相整合ゲイン（増幅効率の目安）の最大値を求める。位相整合ゲインが最大となるように導き出された内角度α及び角度θ等のパラメータに従って、非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡの光軸ＯＡを決めたり、ミラーＭ３及びミラーＭ４、並びに非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡの配置を決めたりする。

図２（ｃ）は内角度α及び角度θ等のパラメータが最適な場合に増幅された信号光を示し、図２（ｄ）は内角度α及び角度θ等のパラメータが不適な場合に増幅された信号光を示している。

図２（ｃ）に示すように第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１と第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２とにおいて適切に信号光が増幅されれば、３５０ｎｍから７９０ｎｍまでの広域において増幅される。一方、内角度α及び角度θなどが適切でないと、図２（ｄ）に示すように３５０ｎｍから７９０ｎｍまでの広域の一部が増幅されないことが起こる。これでは、パルス幅が５フェムト秒を下回る超短光パルスを発生させることができない。なお、増幅されない波長範囲が生じなければよいので、第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１によって増幅される波長範囲と第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２によって増幅される波長範囲とが一部重なっていてもよい。

このように第１実施例の構成によれば、被増幅光及び第１励起光が第１増幅器に入射し第１範囲の波長が増幅され、第１範囲の波長が増幅された被増幅光及び第２励起光が第２増幅器に入射し、第１範囲と異なる第２範囲の波長が増幅される。このため、第１範囲の波長と第２範囲の波長とを合わせた広帯域の光を増幅できる。

また、第１実施例の構成によれば、所定波長のレーザー光を出力する基本レーザー光源から第Ｎ高調波及び第Ｎ＋１高調波の第１励起光及び第２励起光を作り出す。そして所定の波長範囲を有する被増幅光の第１範囲の波長と第２範囲の波長とをそれぞれ第１増幅器と第２増幅器とによって増幅する。このため、第１範囲の波長と第２範囲の波長とを合わせた広帯域の光を増幅できるため、この広帯域の光を使って、パルス幅が５フェムト秒を下回る超短光パルスを発生させることができる。

＜第２実施例＞
本発明による第２実施例の広帯域光増幅器２０の実施の形態を、図３を参照して詳細に説明する。
図３は、広帯域光増幅器２０の概略図である。第１実施例と同じ部材などには同じ符号を付している。特に第１実施例と異なる箇所について説明する。

第２実施例の広帯域光増幅器２０は、第１実施例の広帯域光増幅器１０と異なり、第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１と第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２との位置が入れ替わっている。このため、光線Ｌ２を所定の角度で第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１に入射するようにするため第１ミラーＭ１は配置位置が異なり、また光線Ｌ３を所定の角度で第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２に入射するようにするため第２ミラーＭ２の配置位置が異なっている。

図３の右下図は、第１実施例と同じように、自己位相変調器ＳＰＭから第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２までの白色光線ＷＨを示しており、その白色光線ＷＨの強度は弱い。

図３の右中図は、第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２から第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１までの光線Ｌ２１の波長と強度とを示した図である。この右中図に示すように、光線Ｌ３（波長２６３ｎｍ）の励起によって光線Ｌ２１は約３５０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅されている。つまり、第１実施例と異なり先に約３５０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲が増幅されている。

図３の右上図は、第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１以降の光線Ｌ２２の波長と強度とを示した図である。この右上図に示すように、光線Ｌ２（波長３９５ｎｍ）の励起によって光線Ｌ２２は約５００ｎｍから７９０ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅されている。光線Ｌ２２は、すでに増幅されている光線Ｌ２１の約３５０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲と合わせて、約３５０ｎｍから７９０ｎｍまでの波長範囲が増幅されている。

図４は、第１実施例及び第２実施例の白色光線ＷＨの増幅に関する概念図である。
第１及び第２実施例の形態によれば、信号光は図４（ａ）に示すように３５０ｎｍから７９０ｎｍまでの波長範囲を有している。この信号光である白色光線ＷＨと励起光である第２高調波光（波長３９５ｎｍ）を図４（ｂ）に示す第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１で非同軸に位相整合することで、信号光の群速度とアイドラー光ＩＤの群速度の信号光方向の射影成分が一致する。これにより図４（ｃ）に示すように白色光線ＷＨの約５００ｎｍから７９０ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅される。

また白色光線ＷＨと励起光である第３高調波光（波長２６３ｎｍ）を図４（ｂ）に示す第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２で非同軸に位相整合することで、信号光の群速度とアイドラー光ＩＤの群速度の信号光方向の射影成分が一致する。これにより図４（ｃ）に示すように白色光線ＷＨの約３５０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅される。

図４（ｃ）に示す増幅された約３５０ｎｍから５００ｎｍと増幅された約５００ｎｍから７９０ｎｍの波長範囲とを足し合わせれば図４（ｄ）のように、約３５０ｎｍから７９０ｎｍまでの波長範囲が増幅されている。但し、足し合わせるためには、次のような作業が必要となる。

すなわち、白色光線ＷＨが第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１及び第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２に入射する角度を調整する。また光線Ｌ２（第２高調波光（波長３９５ｎｍ））が第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１に入射する角度及び光線Ｌ３（第３高調波光（波長２６３ｎｍ））が第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２に入射する角度を調整する。

広帯域光増幅器１０又は広帯域光増幅器２０は、約３５０ｎｍから７９０ｎｍまでの広範囲の光を増幅できるため、図４（ｅ）に示す理論上の計算では、４７８ＴＨｚ（テラヘルツ）に及ぶ広範囲の増幅を可能にすることができる。すなわちパルス幅が約２フェムト秒の超短光パルスを発生させる光パルス発生装置を得ることができる。

＜第３実施例＞
本発明による第３実施例の広帯域光増幅器３０の実施の形態を、図５を参照して詳細に説明する。
図５は、広帯域光増幅器３０の概略図であり、第１実施例と同じ部材などには同じ符号を付している。特に第１実施例と異なる箇所について説明する。

第３実施例の広帯域光増幅器３０は、第１実施例の広帯域光増幅器１０と異なり、ビームスプリッタＢＳ及び自己位相変調器ＳＰＭを有していない。その代わりに白色光源ＬＰと集光レンズＬＥＮを有している。広帯域光増幅器３０は少なくとも３５０ｎｍから７９０ｎｍの波長幅を有する白色光線ＷＨを白色光源ＬＰで発生させる。白色光源ＬＰは３００ｎｍから９００ｎｍの波長幅を有するコヒーレント光を照射する。３００から９００nmの波長幅を有するようなコヒーレント光源としては、非線形光ファイバなどの性質を利用した光源、固体レーザーなどを使用することができる。この白色光線ＷＨは、広帯域光増幅器３０の信号（Signal）光となり、所定の角度で第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１と第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２とに入射する。

チタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬの光線Ｌ１は、第２高調波発生器ＳＨＧに入射し、第３高調波発生器ＴＨＧに入射する。つまり、第３実施例ではチタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬから光線Ｌ１は励起光（光線Ｌ２、光線Ｌ３）を発生するためのみに使われる。

また、第３実施例の広帯域光増幅器３０は、屈折光学素子として例えばアッベ数の小さいシリンドリカルレンズＣＬを使用している。アッベ数の小さい高分散レンズを使用することで波長ごとに大きく分離できる。シリンドリカルレンズＣＬは波長による屈折率の違いにより、光線Ｌ１、光線Ｌ２及び光線Ｌ３をそれぞれ分離している。

＜第４実施例＞
本発明による第４実施例の広帯域光増幅器４０の実施の形態を、図６を参照して詳細に説明する。
図６は、広帯域光増幅器４０の概略図であり、第１実施例と同じ部材などには同じ符号を付している。特に第１実施例と異なる箇所について説明する。

第４実施例の広帯域光増幅器４０は、第１実施例の広帯域光増幅器１０と異なり、さらに第４高調波発生器ＦＨＧ及び第３非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ３を有している。この第４高調波発生器ＦＨＧから１９８ｎｍの波長の第４高調波光である光線Ｌ４が出射される。また、広帯域光増幅器４０は、第４高調波光である光線Ｌ４がプリズムＰＲにより屈折させられた光線Ｌ４を所定の角度で第３非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ３に入射するように第５ミラーＭ５を有している。

第４実施例の自己位相変調器ＳＰＭが、チタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬの光線Ｌ１を少なくとも３１０ｎｍから７９０ｎｍの波長幅を有する白色光線ＷＨに変換する。信号光である白色光線ＷＨと励起光である光線Ｌ２とが非同軸角で第１非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ１に入射する。すると、光線Ｌ２（波長３９５ｎｍ）の励起によって光線Ｌ１１は約５００ｎｍから７９０ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅される。

増幅された信号光Ｌ１１は、励起光である光線Ｌ３と非同軸角で第２非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ２に入射する。すると、光線Ｌ３（波長２６３ｎｍ）の励起によって光線Ｌ１２は約３５０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅される。

さらに増幅された信号光Ｌ１２は、励起光である光線Ｌ４と非同軸角で第３非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡ３に入射する。すると、光線Ｌ４（波長１９８ｎｍ）の励起によって光線Ｌ１３は約３１０ｎｍから３５０ｎｍの波長範囲が数十倍から数百倍程度増幅される。光線Ｌ１３は、すでに増幅されている光線Ｌ１１の約５００ｎｍから７９０ｎｍの波長範囲と、光線Ｌ１２の約３５０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲と合わせて、約３１０ｎｍから７９０ｎｍまでの波長範囲が増幅されている。第４実施例の広帯域光増幅器４０は、理論上の計算では、５８０ＴＨｚ（テラヘルツ）以上に及ぶ広範囲の増幅を可能にすることができる。このように、高次高調波発生器ＦＨＧ及びその励起光に適した非共直線光パラメトリック増幅器ＮＯＰＡを配置することにより、広帯域の白色光線ＷＨを増幅することができる。

このように第１実施例から第４実施例によれば、４５０ＴＨｚ以上に及ぶ広帯域の信号増幅を可能とする広帯域光を増幅することができる。そして、これらの実施例によれば、帯域とパルス幅はおおよそ逆数の関係があることからパルス幅が５フェムト秒を下回る超短光パルスを発生させることができる光パルス発生装置であるフェムト秒パルスレーザー光源を提供することができる。

さらに、第１実施例から第４実施例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、広帯域光増幅器１０において、第３高調波光と第４高調波光を使用することもできる。また、上記実施形態において、筐体１１の外にチタンサファイヤレーザー光源ＴＳＬを配置することもできる。

＜第５実施形態＞
次に、上記実施形態の光パルス発生装置であるフェムト秒パルスレーザー光源１１０を用いた光学機器について簡単に説明する。

図７は上記実施形態の光パルス発生装置であるフェムト秒パルスレーザー光源１１０を用いた二光子励起蛍光顕微鏡装置５１の概略構成図である。図７に示されるとおり二光子励起蛍光顕微鏡装置５１にはフェムト秒パルスレーザー光源１１０と、標本ＳＭが載置されるステージ１１１と、ビームエキスパンダ１１３と、ダイクロイックミラー１１５とを備えている。フェムト秒パルスレーザー光源１１０は実施形態１で説明された広帯域光増幅器１０を備えている。実施形態２から実施形態４で説明された広帯域光増幅器２０、３０又は４０であってもよい。

また本顕微鏡装置５１は、一対のガルバノミラー（Ｘ走査鏡、Ｙ走査鏡）を互いの回転軸が直交するように配置したスキャナ１１６と、リレー光学系１１４と、絞り１１７Ａと、対物レンズ１１７と、検出部２００と、ステージ１１１と、コントロールユニット１３０とを備えている。なお、絞り１１７Ａの開口サイズは、対物レンズ１１７の瞳と同等のサイズ又は瞳より若干大きいサイズであって、この絞り１１７Ａによって後述する照明光（又は励起光）が遮光されないものとする。

検出部２００は、結像レンズ１１８と、絞り１１９と、レンズ１２０と、バンドパスフィルタ２１１と、光電子増倍管（ＰＭＴ）２０１とを備えている。バンドパスフィルタ２１１は所定の波長の光を透過しそれ以外の波長の光は通過させない。ＰＭＴ２０１は光を電気信号（蛍光量を示す蛍光信号）に変換する。ＰＭＴ２０１は標本ＳＭの観察領域内の各位置について蛍光信号を読み出す。

コントロールユニット１３０は、ＰＭＴ２０１で読み出された各蛍光信号に基づき標本ＳＭの観察領域の蛍光画像を作成する。また、コントロールユニット１３０はスキャナ１１６のガルバノミラーを回転させて、照明光の照射領域（レーザスポット）をステージ１１１の平面内で移動させる。また、コントロールユニット１３０はステージ１１１を照明光の光軸方向（図７の矢印方向）に移動させることができる。

次に二光子励起蛍光顕微鏡装置５１の動作について説明する。
標本ＳＭがステージ１１１に載置される。標本ＳＭは、例えば蛍光色素により標識された細胞試料である。その蛍光色素の励起波長（一光子励起により励起する波長）は３９５ｎｍ、蛍光波長は４５０ｎｍである。

フェムト秒パルスレーザー光源１１０は照明光として、中心波長が７９０ｎｍのフェムト秒パルスレーザー光を例えば１ｋＨｚの周波数で射出する。そしてこの照明光は、パルス幅が５フェムト秒を下回る超短光パルスである。フェムト秒パルスレーザー光源１１０から射出した照明光（７９０ｎｍの近傍）は、ビームエキスパンダ１１３により径の太い光束に変換され、ダイクロイックミラー１１５へ入射する。ダイクロイックミラー１１５の特性は、波長が７９０ｎｍの近傍である光を反射し、波長が４５０ｎｍの近傍である光を透過する特性に設定されている。よって、フェムト秒パルスレーザー光源１１０から射出した照明光はダイクロイックミラー１１５を反射し、スキャナ１１６、リレー光学系１１４、絞り１１７Ａ、対物レンズ１１７を順に介した後、標本ＳＭに向けて集光する。

標本ＳＭにおける照明光の照射領域（レーザスポット）の中央では、蛍光分子が二光子励起され、信号光である蛍光（二光子励起蛍光）を発生させる。なお、レーザースポットのサイズは、対物レンズ１１７のＮＡに依存し、そのＮＡが大きいほどレーザースポットのサイズは小さくなるので本装置の空間解像度は高まる。

レーザースポットで発生した二光子励起蛍光（４５０ｎｍの近傍）は、そのレーザースポットを形成した照明光の光路を逆向きに辿り、対物レンズ１１７、絞り１１７Ａ、リレー光学系１１４、スキャナ１１６を順に介した後、ダイクロイックミラー１１５を透過し、検出部２００へ入射する。

検出部２００へ入射した二光子励起蛍光は、結像レンズ１１８、絞り１１９、レンズ１２０、バンドパスフィルタ２１１を順に介してＰＭＴ２０１へ入射する。なお、バンドパスフィルタ２１１の特性は、波長が４５０ｎｍの近傍である光を透過し、他の波長の光を除去する特性に設定されている。よって、その二光子励起蛍光はバンドパスフィルタ２１１を透過し、ＰＭＴ２０１にて電気信号（蛍光量を示す蛍光信号）に変換される。

スキャナ１１６がコントロールユニット１３０によって駆動されると、レーザースポットが標本ＳＭ上の観察領域内（対物レンズ１１７の視野内）を二次元状に走査する。レーザースポットが観察領域内の各位置にあるときにＰＭＴ２０１が蛍光信号を読み出す。各位置において読み出された各蛍光信号はコントロールユニット１３０に送られる。コントロールユニット１３０は、各蛍光信号に基づいて観察領域の蛍光画像を作成する。コントロールユニット１３０がステージ１１を光軸方向へ上下動させて、さらにレーザースポットが二次元状に走査させながら各蛍光信号を読み出せば、標本ＳＭの三次元画像を得ることができる。

フェムト秒パルスレーザー光源１１０として、実施形態１ないし実施形態４の広帯域光増幅器を有する光パルス発生装置を用いている。したがって、パルス幅が５フェムト秒を下回る超短光パルスを発生させることができるため、二光子励起蛍光顕微鏡装置５１は時間分解能をより高めて、より速い標本ＳＭの現象を観測することができる。

＜第６実施形態＞
次に、第６実施形態としてハイブリッド型の非線形光学顕微鏡装置５３を説明する。ここでは第５実施形態との相違点のみ説明する。

図８は、非線形光学顕微鏡装置５３の顕微鏡部分の構成図である。
図８に示されるとおり、第６実施形態の非線形光学顕微鏡装置５３は、二光子励起に加えて、第二高調波発生、コヒーレントアンチストークスラマン散乱の各検出原理が適用されている。

本実施形態の非線形光学顕微鏡装置５３は、２つのレーザー光源１２１、１２２を備えている。一方のレーザー光源は、二光子励起観察と、第二高調波発生観察と、コヒーレントアンチストークスラマン散乱観察とに兼用されるフェムト秒パルスレーザー光源１２１であり、他方のレーザー光源は、コヒーレントアンチストークスラマン散乱観察に使用されるレーザー光源１２２である。なお、コヒーレントアンチストークスラマン散乱観察時、フェムト秒パルスレーザー光源１２１はアンチストークス光の光源として使用され、レーザー光源１２２は励起（pump）光の光源として使用される。

また、第６実施形態の非線形光学顕微鏡装置５３は、第１検出部２２０及び第２検出部２４０を備えている。また、ダイクロイックミラー１１５と第１検出部２２０との間にはダイクロイックミラー１１５’が配置される。ダイクロイックミラー１１５’は、標本ＳＭで発生したコヒーレントストークスラマン散乱光を反射して第２検出部２４０へ導光し、かつ標本ＳＭで発生した二光子励起蛍光及び第二高調波を透過して第１検出部２２０へ導光する。

第１検出部２２０は、二光子励起観察と第二高調波発生観察とに兼用される検出部であって、第５実施形態における検出部２００と同様の構成をしている。但し、第１検出部２２０は、バンドパスフィルタ２１１とバンドパスフィルタ２１１’を備えている。バンドパスフィルタ２１１は二光子励起観察用のフィルタであり、バンドパスフィルタ２１１’は第二高調波を透過しそれ以外の光をカットするフィルタである。

また、第２検出部２４０は、コヒーレントアンチストークスラマン散乱観察に使用される検出部である。第２検出部２４０には、レンズ１２４と、ミラー１２５と、分光素子１２６と、レンズ１２７と、遮光部材１２８と、レンズ１２９と、検出器１３０とが配置されている。なお、遮光部材１２８には、コヒーレントストークスラマン散乱光を通過させ、それ以外の光を遮光する機能がある。

非線形光学顕微鏡装置５３において、フェムト秒パルスレーザー光源１２１及びレーザー光源１２２の双方が駆動されるとアンチストークス光と励起光とが標本ＳＭに照射される。このとき標本ＳＭで発生した第二高調波及び二光子励起蛍光は、第１検出部２２０へ入射する。また、標本ＳＭで発生したコヒーレントストークスラマン散乱光は、第２検出部２４０によって検出される。

このとき、第１検出部２２０の光路に二光子励起観察用のバンドパスフィルタ２１１が挿入されれば、第１検出部２２０は二光子励起蛍光を検出することができる。また第１検出部２２０の光路に第二高調波を透過するバンドパスフィルタ２１１’が挿入されれば、第１検出部２２０は第二高調波を検出することができる。

本実施形態においても、第５実施形態と同様、パルス幅が５フェムト秒を下回る超短光パルスを射出するフェムト秒パルスレーザー光源１２１を使用した。したがって、非線形光学顕微鏡装置５３は、時間分解能をより高めて、より速い標本ＳＭの現象を観測することができる。

第５及び第６実施形態では、パルス幅が５フェムト秒を下回る超短光パルスを射出するフェムト秒パルスレーザー光源を使用した顕微鏡装置を示した。５フェムト秒を下回る超短光パルスを射出するフェムト秒パルスレーザー光源を利用した光学機器の例として顕微鏡装置に限定されるものではなく、例えば、超短光パルスを射出するフェムト秒パルスレーザーをレーザー加工機等に対して応用できる。

Claims (11)

1. 所定の波長範囲を有する被増幅光を照射する光源と、
   第１波長の第１励起光と前記第１波長と異なる第２波長の第２励起光とを照射する励起光源と、
   前記被増幅光と前記第１励起光とを入射し、前記所定の波長範囲のうち第１範囲の波長が増幅された被増幅光を射出する第１増幅器と、
   前記第１範囲の波長が増幅された前記被増幅光と前記第２励起光とを入射し、前記第１範囲と異なる第２範囲の波長が増幅された被増幅光を射出する第２増幅器と、
   を備えることを特徴とする広帯域光増幅器。
2. 前記第１範囲の波長は前記所定の波長範囲のうち長波長側の範囲の波長であり、前記第２範囲の波長は前記所定の波長範囲のうち短波長側の範囲の波長であることを特徴とする請求項１に記載の広帯域光増幅器。
3. 前記所定の波長範囲を有する被増幅光は白色光であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の広帯域光増幅器。
4. 前記所定の波長範囲は３５０ｎｍから７９０ｎｍを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の広帯域光増幅器。
5. 前記被増幅光を照射する光源は所定波長のレーザー光を含み、前記所定波長のレーザー光を前記白色光に変換する非線形変換器を備えることを特徴とする請求項３に記載の広帯域光増幅器。
6. 前記励起光源は、前記所定波長のレーザー光を含み、
   前記所定波長のレーザー光を第Ｎ高調波に変換して前記第１励起光にする第１変換器と、
   前記所定波長のレーザー光を第Ｎ＋１高調波に変換して前記第２励起光にする第２変換器と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の広帯域光増幅器。
7. 前記レーザー光を分光するビームスプリッタを備えることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の広帯域光増幅器。
8. 前記第１増幅器は第１の非線形結晶であり、前記第１の非線形結晶の光軸と前記第１励起光とのなす角度及び前記第１の非線形結晶内で前記被増幅光と前記第１励起光とのなす内角度が調整されて配置されており、
   前記第２増幅器は第２の非線形結晶であり、前記第２の非線形結晶の光軸と前記第２励起光とのなす角度及び前記第２の非線形結晶内で前記被増幅光と前記第２励起光とのなす内角度が調整されて配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の広帯域光増幅器。
9. 前記第１励起光と前記第２励起光とを同一方向から入射し、前記第１励起光と前記第２励起光とを異なる方向に射出する屈折部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の広帯域光増幅器。
10. 所定波長のレーザー光を出力する基本レーザー光源と、
    前記レーザー光を第Ｎ高調波に変換して第１励起光を射出する第１変換器と、
    前記レーザー光を第Ｎ＋１高調波に変換して第２励起光を射出する第２変換器と、
    所定の波長範囲を有する被増幅光と前記第１励起光とから、前記所定の波長範囲のうち第１範囲の波長が増幅された被増幅光を射出する第１増幅器と、
    前記第１範囲の波長が増幅された被増幅光と前記第２励起光とから、前記第１範囲と異なる第２範囲の波長が増幅された被増幅光を射出する第２増幅器と、
    を備えることを特徴とする光パルス発生装置。
11. 請求項１０に記載の光パルス発生装置を光源として用いることを特徴とする光学機器。