JP5623652B2 - ラマン散乱計測装置および誘導ラマン散乱検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導ラマン散乱を利用して分子振動イメージングを行う顕微鏡や内視鏡等に用いられる誘導ラマン散乱検出装置に関する。

ラマン散乱原理を利用した検出装置の１つとしての誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering：ＳＲＳ）検出装置は、非特許文献１や非特許文献２にて提案されている。誘導ラマン散乱検出装置の原理は、以下の通りである。

互いに光周波数が異なる２色の光パルス（レーザパルス）を試料に集光照射する。この場合に、該２色の光パルスの周波数の差が試料の分子振動周波数と一致すると、集光点にて誘導ラマン散乱という現象が生じ、光パルスが誘導ラマン散乱によって強度変調される。試料から射出された誘導ラマン散乱により強度変調された光パルスからその強度変調分の光（検出光）を検出することで、試料の分子の振動情報を反映した分子振動イメージングが可能となる。

誘導ラマン散乱顕微鏡の原理確認；嶽 文宏、小関泰之、伊東一良、Optics &Photonics Japan 2008，5pC12，2008年11月5日 Chiristian W. Freudiger, Wei Min, Brian G. Saar, Sijia Lu, Gary R. Holtom, Chengwei He, Jason C. Tsai, Jing X. Kang, X. Sunney Xie, "Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy (誘導ラマン散乱を用いた顕微鏡による非標識の高感度生物医学的画像解析)" SCIENCE VOL322 19 DECEMBER 2008 pp. 1857-1861

しかしながら、誘導ラマン散乱検出装置は、ショット雑音限界に近い極めて低雑音の光源を必要とする。このため、レーザー光源に対する制約があり、例えば、固体レーザーや光パラメトリック発振器を用いた大掛かりで頻繁なメンテナンスが求められる光源が必要となる。

一方、ファイバーレーザーのように安定かつ小型のレーザー光源は、光出力が小さいことに起因して、光出力における強度雑音成分が大きい。したがって、ＳＲＳ検出装置にこのような小型のレーザー光源を用いる場合には、該レーザー光源の強度雑音の影響による検出光のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）の低下が問題となる。

本発明は、試料に照射される光パルスに含まれる強度雑音成分を低減して、検出光のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させることができるＳＲＳ検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての誘導ラマン散乱検出装置は、第１の光パルスを第１の周期で生成する第１の生成手段と、第１の光パルスとは異なる光周波数を有する第２の光パルスを、第１の周期よりも短い第２の周期で生成する第２の生成手段と、第１および第２の光パルスを合成して試料に照射する光学系と、第１および第２の光パルスの双方が前記試料に照射されることで生じる誘導ラマン散乱により強度変調された第２の光パルスを検出する検出手段とを備え、第２の生成手段は、光源から第２の周期で射出されるソース光パルスのそれぞれを２つの光パルスに分割する分割手段と、該２つの光パルスのうち一方の光パルスを他方の光パルスに対して遅延させる遅延手段と、該一方の光パルスと該他方の光パルスとを合成して第２の光パルスを生成する合成手段と、を有する。そして、第１の周期をτ _Ｓ とし、遅延手段が上記一方の光パルスを遅延させる遅延時間をＴとするとき、
τ _Ｓ ／２−τ _Ｓ ／６≦Ｔ≦τ _Ｓ ／２＋τ _Ｓ ／６
なる条件を満足することを特徴とする。
また、本発明の他の一側面としての誘導ラマン散乱検出方法は、第１の光パルスを第１の周期で生成し、第１の光パルスとは異なる光周波数を有する第２の光パルスを、第１の周期よりも短い第２の周期で生成し、第１および第２の光パルスを合成して試料に照射する照射工程と、第１および第２の光パルスの双方が試料に照射されることで生じる誘導ラマン散乱により強度変調された第２の光パルスを検出する検出工程と、を有し、照射工程は、光源から第２の周期で射出されるソース光パルスのそれぞれを２つの光パルスに分割する分割ステップと、該２つの光パルスのうち一方の光パルスを他方の光パルスに対して遅延させる遅延ステップと、該一方の光パルスと該他方の光パルスとを合成して第２の光パルスを生成する合成ステップと、を含む。そして、第１の周期をτ _Ｓ とし、遅延ステップにおいて上記一方の光パルスを遅延させる遅延時間をＴとするとき、
τ _Ｓ ／２−τ _Ｓ ／６≦Ｔ≦τ _Ｓ ／２＋τ _Ｓ ／６
なる条件を満足することを特徴とする。

本発明によれば、誘導ラマン散乱検出装置において、試料への照射前の第２の光パルスの列に含まれていた強度雑音成分を十分に低減することができ、これにより検出光のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

本発明の実施例１である誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）検出装置の構成を示すブロック図。 実施例１のＳＲＳ検出装置における遅延合波部の構成を示すブロック図。 図２に示した遅延合波部での光パルス列に対する操作を示す図。 実施例１の実験結果を示す図。 実施例１において、遅延時間Ｔの範囲についての説明図。 本発明の実施例２であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部の構成を示すブロック図。 本発明の実施例３であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部の構成を示すブロック図。 実施例３における遅延合波部により生成された光パルス列を示す図。 本発明の実施例４であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部の構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）検出装置の概略構成を示している。該ＳＲＳ検出装置１００は、顕微鏡や内視鏡を含む観察、測定および診断その他の用途を有する装置として用いることができる。

本実施例のＳＲＳ検出装置１００は、ストークス光となる第１の光パルス列を生成する第１の光パルス生成部１と、ポンプ光となる第２の光パルス列を生成する第２の光パルス生成部２とを有する。また、検出装置１００は、ミラー３、ハーフミラー４および第１の対物レンズ５により構成される照射光学系２１と、第２の対物レンズ７、色フィルタ８および集光レンズ９により構成される集光光学系２２とを有する。さらに、検出装置１００は、受光素子であるフォトダイオード１１および該フォトダイオード１１の出力信号を同期検波する電子回路であるロックインアンプ１２により構成される検出部１０を有する。

第１の対物レンズ５と第２の対物レンズ７との間には、測定対象である試料６が配置される。

第１の光パルス生成部１は、第１の光パルス列を構成する第１の光パルスを第１のパルス周期で繰り返し射出（発振）する第１の光源１ａによって構成されている。第１の光源１ａとしては、例えばファイバーレーザー光源が用いられる。第１の光パルス列は、例えば、第１の光周波数（中心周波数）としてω_Ｓ（波長が１０００ｎｍ）を、第１のパルス幅として分子振動の高い識別能力を得るのに好適な１〜 １０ ｐｓ（ピコ秒）を、第１の繰り返し周波数として５５ＭＨｚ（第１のパルス周期として１８．２ｎｓ）を有する。図中における第１の光パルス生成部１の左側に、第１の光パルス列（Stokes Pulse）が生成される様子を示している。ｔは時間である。

第２の光パルス生成部２は、第２の光パルスを生成するためのソース光パルスを第２のパルス周期で繰り返し射出（発振）する第２の光源２ａを有する。また、第２の光パルス生成部２は、ソース光パルスの列（ソース光パルス列）から第２の光パルスの列（第２の光パルス列）を生成する遅延合波部３０を有する。第２の光源２ａとしては、第１の光源１ａと同様に、例えばファイバーレーザー光源が用いられる。第２の光パルス列は、例えば、第２の光周波数（中心周波数）としてω_Ｐ（波長が７７０ｎｍ程度までの値）に調整され、第２のパルス幅として第１のパルス幅と略等しいパルス幅を、第２の繰り返し周波数として１１０ＭＨｚ（第２のパルス周期として９．１ｎｓ）を有する。第２の光パルス列の光周波数は、第１の光パルス列の光周波数との周波数差が試料６における被測定分子の分子振動周波数と一致するように調整される。図中における第２の光パルス生成部２の左側に、第２の光パルス列用のソース光パルス列（Pump Pulse (Source)）が生成される様子を示している。

遅延合波部３０は、第２の光源２ａからのソース光パルスのそれぞれに対して分割、遅延および合成の操作を行うことで、第２の光パルス列を構成する第２の光パルスを第２のパルス周期で生成する。遅延合波部３０の具体的な構成については後述する。

本実施例では、第１の光パルス生成部１で生成される第１の光パルス列の繰り返し周波数（第１の繰り返し周波数）を、第２の光パルス生成部２で生成される第２の光パルス列の繰り返し周波数（第２の繰り返し周波数）の二分の一としている。言い換えれば、第２の光パルス列のパルス周期（第２のパルス周期）を、第１の光パルス列のパルス周期（第１のパルス周期）の二分の一としている。以下、本実施例では、第１の光パルス列の繰り返し周波数をν_Ｓとし、第２の光パルス列の繰り返し周波数を２ν_Ｓとする。また、第１の光パルス列のパルス周期をτ_Ｓとし、第２の光パルス列のパルス周期をτ_Ｓ／２とする。

このように繰り返し周波数（およびパルス周期）を設定することで、第１の光パルスは、第２の光パルスの２つに対して１つという同期したタイミングで生成される。これにより、第１の光パルス列の繰り返し周波数を第２の光パルス列の繰り返し周波数の三分の一や四分の一とする場合と比較して、誘導ラマン散乱効果を引き起こす回数を最も多くすることができ、より高い精度で試料６の分子振動イメージを取得することができる。

なお、本実施例では、第１および第２の光源１ａ，２ａとして、ファイバーレーザー光源を用いているが、ファイバーレーザー光源以外のレーザー光源、例えばチタンサファイヤレーザー光源を用いることも可能である。

また、本実施例では、第１の光パルス生成部１と第２の光パルス生成部２とに別々の光源１ａ，２ａを用い、これらの光源１ａ，２ａの同期を取るために、両者を電気的に接続している。しかし、２つの光パルス生成部のうち一方の光源としてレーザー光源を用い、他方の光源として、該一方の光源からのレーザー光から別の繰り返し周波数を有するレーザー光を生成するパラメトリック発振器等を用いることもできる。

また、本実施例では、第１および第２の光パルス列のうち繰り返し周波数が低い第１の光パルス列をストークス光として用い、繰り返し周波数が高い第２の光パルス列をポンプ光として用いる場合について説明する。しかし、繰り返し周波数が低い第１の光パルス列をポンプ光として用い、繰り返し周波数か高い第２の光パルス列をストークス光として用いてもよい。すなわち、第１の光周波数ω_Ｓと第２の光周波数ω_Ｐとを入れ替えて設定してもよい。

第２の光パルス生成部２で生成された繰り返し周波数２ν_Ｓの第２の光パルス列は、照射光学系２１のミラー３で向きを変えられ、ハーフミラー４に入射する。そして、第２の光パルス列は、ハーフミラー４にて、第１の光パルス生成部１で生成された繰り返し周波数ν_Ｓの第１の光パルス列と同軸に合波（合成）される。合波された光パルス列は、照射光学系２１の第１の対物レンズ５によって、試料６に集光照射される。なお、本実施例では第１の対物レンズ５として、倍率×４０、開口数（ＮＡ）０．６のものを用いている。

試料６に照射される光パルス列においては、前述したように第１および第２の光パルス列の繰り返し周波数をそれぞれν_Ｓ，２ν_Ｓとするとき、時間１／（２ν_Ｓ）ごとに第１および第２の光パルスの両方と、第２の光パルスのみとが交互に現れる。そして、第１の光周波数と第２の光周波数との周波数差（ω_Ｐ−ω_Ｓ）が試料６における被測定分子の分子振動数と一致した状態で第１および第２の光パルスの双方が試料６に照射されたとき（時間１／ν_Ｓごと）に誘導ラマン散乱が生じる。このため、誘導ラマン散乱は、第２の光パルス列に周波数ν_Ｓの強度変調を生じさせる。

試料６から射出された、第１の光パルスと誘導ラマン散乱によって強度変調された第２の光パルスとは、集光光学系２２の第２の対物レンズ７で集光される。第２の対物レンズ７としては、本実施例では、第１の対物レンズ５と同様に、倍率×４０、開口数（ＮＡ）０．６のものを用いている。第２の対物レンズ７で集光された第１の光パルスと第２に光パルスとは、集光光学系２２の色フィルタ８に入射し、ここで第２の光パルスのみが透過されて集光光学系２２の集光レンズ９によって集光される。

集光レンズ９で集光された第２の光パルス列は、フォトダイオード１１で光電変換され、電気信号として出力される。フォトダイオード１１からの出力信号は、ロックインアンプ１２によって、第１の光パルス生成部１からの周波数参照信号ｒｅｆに応じたν_Ｓをロックイン周波数として（すなわち、第１のパルス周期τ_Ｓで）同期検波される。これにより、誘導ラマン散乱によって発生した光（第２の光パルス列の強度変調成分）のみが検出光として検出される。このような検出方法を用いて試料６をスキャンすることで、該試料６における被測定分子の分子振動イメージを取得することができる。

このように構成されるＳＲＳ検出装置１００において、第２の光源２ａであるファイバーレーザー光源から射出される光パルス列には、図１中に拡大して示すように、レーザー光源の強度雑音による強度の変動が生じている。このような強度雑音の成分を含む第２の光パルス列をそのまま試料６に照射すると、ロックインアンプ１２により検出される光（検出光）のＳ／Ｎ比が低下する原因となる。言い換えれば、検出光のＳ／Ｎ比を向上させるためには、試料６に照射される第２の光パルス列から、第２の光源２ａに起因する強度雑音の成分をできるだけ除去した方が良い。このため、本実施例では、第２の光パルス生成部２に遅延合波部３０を設けている。

図２には、本実施例における遅延合波部３０の具体的な構成を示している。また、図３の（ａ）〜（ｄ）には、第２の光源２ａから射出されたソース光パルスおよび該ソース光パルスが遅延合波部３０にて受ける操作を示している。

図２において、第２の光源２ａから射出されたソース光パルスＬ_０は、遅延合波部３０に設けられた第１のハーフミラー（分割手段）ＨＭ_１に入射し、これを透過する光パルス成分Ｌ_１と、これによって反射される光パルス成分Ｌ_２とに分割される。これら２つの光パルス成分Ｌ_１，Ｌ_２のうち一方の光パルス成分Ｌ_２は、ミラーＭ_１，Ｍ_２を含む遅延光路（遅延手段）に進み、他方の光パルス成分Ｌ_１はそのまま第２のハーフミラー（合成手段）ＨＭ_２に進む。

図３の（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、第２の光源２ａから第２のパルス周期で繰り返し射出されるソース光パルスＬ_０と、第１のハーフミラーＨＭ_１を透過した光パルス成分Ｌ_１を示している。ソース光パルスＬ_０には、図１にも示した強度雑音の成分（強度変動）が含まれている。前述した第１のパルス周期τ_Ｓは、ストークス光である第１の光パルス列のパルス間隔に相当し、ソース光パルスＬ_０はその二分の一であるτ_Ｓ／２のパルス間隔（第２のパルス周期）で第２の光源２ａから射出される。

なお、図３の（ａ），（ｂ）には、繰り返し射出されるソース光パルスＬ_０とこれから分割された光パルス成分Ｌ_１とを時間ｔの流れに沿って黒と白（白枠）で交互に示している。

光パルス成分Ｌ_２が通る遅延光路は、第１のハーフミラーＨＭ_１からミラーＭ_１，Ｍ_２を経て第２のハーフミラーＨＭ_２に至るまでの光路である。この遅延光路の光路長は、光パルス成分Ｌ_１が通る第１のハーフミラーＨＭ_１から第２のハーフミラーＨＭ_２までの光路に対して光路長差ΔＬを有する。この光路長差ΔＬは、光パルス成分Ｌ_２が光パルス成分Ｌ_１に対して以下の式（１）で示される範囲内の遅延時間Ｔだけ遅延するように設定される。すなわち、遅延時間Ｔは、式（１）の条件を満足するように設定される。

τ_Ｓ／２−τ_Ｓ／６≦Ｔ≦τ_Ｓ／２＋τ_Ｓ／６ （１）
また、式（１）から、光路長差ΔＬは、第１のパルス周期τ_Ｓおよび光速ｃと以下の式（２）で示される関係を有するように設定されることになる。つまり、光路長差ΔＬは、式（２）の条件を満足するように設定される。

｜ΔＬ−ｃτ_Ｓ／２｜≦ｃτ_Ｓ／６ （２）
式（１）は、Ｔ＝τ_Ｓ／２である場合を含む。±τ_Ｓ／６の意義については後述する。図３の（ｃ）には、光パルス成分Ｌ_２が光パルス成分Ｌ_１に対してＴ＝τ_Ｓ／２だけ遅延した様子を示している。図３の（ｂ）において白で示した光パルス成分Ｌ_１と同時に、それよりも１つ前に射出されたソース光パルスＬ_０から分割された黒で示す光パルス成分Ｌ_２が現れる。同様に、図３の（ｂ）において黒で示した光パルス成分Ｌ_１と同時に、それよりも１つ前に射出されたソース光パルスＬ_０から分割された白で示す光パルス成分Ｌ_２が現れる。

なお、遅延時間Ｔがτ_Ｓ／２に対して±τ_Ｓ／６までのずれを持つ場合はその分だけ「同時」からずれて光パルス成分Ｌ_１，Ｌ_２が現れる。このことは、以下の説明でも同様である。

こうして遅延されて第２のハーフミラーＨＭ_２に入射した光パルス成分Ｌ_２は、同時に第２のハーフミラーＨＭ_２に入射した光パルス成分Ｌ_１と合成される。言い換えれば、遅延合波部３０は、あるソース光パルスＬ_０から分割して遅延させた一方の光パルス成分Ｌ_２を、そのソース光パルスＬ_０よりも後に第２の光源２ａから射出された別のソース光パルスＬ_０における他方の光パルス成分Ｌ_１と合成する。これにより、ソース光パルスＬ_０から分割されたままの光パルス成分Ｌ_１の強度と、１つ前のソース光パルスＬ_０から分割されて時間Ｔだけ遅延された光パルス成分Ｌ_２の強度との加算値に相当する強度（以下、合成強度という）を有する第２の光パルスＬ_１２が生成される。このようにして生成された第２の光パルスＬ_１２は、遅延合波部３０から図１に示したミラー３に向かう。

ソース光パルスＬ_０に含まれる前述した強度雑音のうちロックインアンプ１２でのＳ／Ｎ比に影響するのは、誘導ラマン散乱の発生周期である第１および第２の光パルスがともに試料６に照射される周期である第１のパルス周期τ_Ｓで発生する強度雑音である。例えば、この強度雑音の振幅が一定である場合、その半周期に相当する第２のパルス周期τ_Ｓ／２ごとに生成されるソース光パルスＬ_０の強度には、図３の（ａ）に示すように、一定量の増加と減少とが交互に現れる。

このため、図３の（ｂ），（ｃ）に示すように、光パルス成分Ｌ_１の強度の高低とこれに合成される（１つ前のソース光パルスＬ_０から分割された）光パルス成分Ｌ_２の強度の高低は互いに逆の関係になり、この関係は第２のパルス周期τ_Ｓ／２ごとに反転する。したがって、それらを合成して生成した第２の光パルスＬ_１２の合成強度は、図３の（ｄ）に示すように、第２のパルス周期τ_Ｓ／２ごとに（したがって第１のパルス周期τ_Ｓごとに）ほとんど変化せず、この結果、第２の光パルス列の合成強度は常にほぼ一定となる。

このようにして、遅延合波部３０は、ロックインアンプ１２でのＳ／Ｎ比に影響する強度雑音成分をほとんど含まない第２の光パルス列を生成することができる。なお、本実施例においては、第２のパルス周期を第１のパルス周期τ_Ｓの二分の一としているが、本発明はこれに限らず、第２のパルス周期を第１のパルス周期τ_Ｓよりも短い周期にすればよい。すなわち、第１の光パルス列と、遅延合波部３０で生成された第２の光パルス列とが合波するタイミングを合わせて、誘導ラマン散乱により強度変調された第２の光パルスを検出することができればよい。

図４には、本実施例に基づく実際の実験例の結果を示している。この実験例において、第２のパルス列の繰り返し周波数は１０９ＭＨｚであり、パルス幅１６０ｆｓ（フェムト秒）、強度は4 ｍＷである。グラフＡは、遅延合波部３０を通る前のソース光パルス列に含まれる強度雑音を示している。グラフＢは、遅延合波部３０を通して生成した第２の光パルス列に含まれる強度雑音を示している。グラフＢに示すように、遅延合波部３０を通して第２の光パルス列を生成することで、第１の光パルス列の繰り返し周波数に相当する５５ＭＨｚにおいて、ソース光パルス列と比較して２１ｄＢの強度雑音成分の低減を確認できた。

次に、式（１）に示した遅延時間Ｔの範囲の意義について図５を用いて説明する。第２の光源２ａからのソース光パルス列の強度を時間の関数であるＩ_０(ｔ)で表す。また、ソース光パルスから分割された２つの光パルス成分のそれぞれの強度をＩ_１(ｔ)とＩ_２(ｔ)で表す。さらに、合成された第２の光パルス列（ポンプ光）の強度をＩ_１２(ｔ)で表す。
Ｉ_２がＩ_１より時間Ｔだけ遅延しているとすると、
Ｉ_１(ｔ)＝Ｉ_０(ｔ)／２
Ｉ_２(ｔ)＝Ｉ_０(ｔ−Ｔ)／２
Ｉ_１２(ｔ)＝Ｉ_１(ｔ)＋Ｉ_２(ｔ)
＝(Ｉ_０(ｔ)＋Ｉ_０(ｔ−Ｔ))／２
と表される。これらをフーリエ変換したものが、以下に示すソース光パルス列、２つの光パルス成分および第２の光パルス列の強度変化の周波数スペクトルｆ_０(ν)，ｆ_１(ν)，ｆ_２(ν)，ｆ_１２(ν)である。ＦＴはフーリエ変換を、νは周波数をそれぞれ示す。
ｆ_０(ν)＝ＦＴ(Ｉ_０(ｔ))
ｆ_１(ν)＝ＦＴ(Ｉ_１(ｔ))
＝ＦＴ(Ｉ_０(ｔ)／２)
＝ｆ_０(ν)／２
ｆ_２(ν)＝ＦＴ(Ｉ_２(ｔ))
＝ＦＴ(Ｉ_０(ｔ−Ｔ)／２)
＝ｆ_０(ν)・ｅｘｐ(−２πｉＴν)／２
ｆ_１２(ν)＝ＦＴ(Ｉ_１２(ｔ))
＝ＦＴ(Ｉ_１(ｔ))＋Ｉ_２(ｔ))
＝ｆ_０(ν)・(１＋ｅｘｐ(−２πｉＴν))／２
＝ｅｘｐ(−πｉＴν)・ｆ_０(ν)・(ｅｘｐ(πｉＴν)＋ｅｘｐ(−πｉＴν))／２
＝ｅｘｐ(−πｉＴν)・ｆ_０(ν)・ｃｏｓ(πＴν)
第２の光パルスの強度Ｉ_１２とソース光パルスの強度Ｉ_０の周波数スペクトルの絶対値の比は、図５に示すように、
｜ｆ_１２(ν)｜／｜ｆ_０(ν)｜＝｜cos(πＴν)｜
となる。

つまり、遅延時間ＴをＴ＝１／（２ν）にすれば、｜ｆ_１２(ν)｜／｜ｆ_０(ν)｜は零となり、第２の光パルスＩ_１２(ｔ)は周波数νの成分を含まない。

したがって、第１の光パルス列（ストークス光）のパルス間隔をτ_Ｓとすると、その繰り返し周波数（第１の繰り返し周波数）ν_Ｓは、
ν_Ｓ＝１／τ_Ｓ
である。このため、
Ｔ＝１／（２ν_Ｓ）
＝τ_Ｓ／２
とすることで、第２の光パルス列から周波数ν_Ｓの成分を除去することができる。

また、遅延時間Ｔがτ_Ｓ／２に一致していなくても、
τ_Ｓ／２−τ_Ｓ／６≦Ｔ≦τ_Ｓ／２＋τ_Ｓ／６ （１）
であれば、
｜cos(πＴν_Ｓ)｜≦１／２
となる。つまり、第２の光パルスの強度Ｉ_１２(ｔ)に含まれる周波数ν_Ｓの成分をソース光パルスの半分以下にすることができる。

以上説明したように、遅延合波部３０での遅延時間Ｔがτ_Ｓ／２であっても、これに対して±τ_Ｓ／６までの範囲でずれた（又は後述の実施例３のように意図的にずらした）としても、十分に光源の強度雑音成分が低減された第２の光パルス列を生成することができる。そして、このような第２の光パルス列を試料６に照射することで、ロックインアンプ１２でのＳ／Ｎ比を向上させ、良好な分子振動イメージを取得することができる。

図６には、本発明の実施例２であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部３０の具体的構成を示している。

第２の光源２ａから射出されたソース光パルスＬ_０は、遅延合波部３０に設けられた第１のミラーＭ_１にて反射された後、１／２波長板ＷＰを通過して偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳは、入射したソース光パルスＬ_０のうちＳ偏光パルス成分（一方の光パルス成分）Ｌ_２を反射し、Ｐ偏光パルス成分（他方の光パルス成分）Ｌ_１を透過させる。これにより、ソース光パルスＬ_０が２つの光パルス成分であるＰ偏光パルス成分Ｌ_１とＳ偏光パルス成分Ｌ_２に分割される。１／２波長板ＷＰの光学軸の方位を調整することによって、Ｐ偏光パルス成分Ｌ_１とＳ偏光パルス成分Ｌ_２の強度を等しくすることができる。

偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射されたＳ偏光パルス成分Ｌ_２は、プリズムＰ_２を含む遅延光路（遅延手段）に進む。一方、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過したＰ偏光パルス成分Ｌ_１はプリズムＰ₁ を含む反射光路を介して再び偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳは、分割手段であるとともに合成手段としても機能する。

Ｓ偏光パルス成分Ｌ_２が通る遅延光路は、偏光ビームスプリッタＰＢＳからプリズムＰ_２を経て再び偏光ビームスプリッタＰＢＳに戻るまでの光路である。この遅延光路の光路長は、Ｐ偏光パルス成分Ｌ_１が通る偏光ビームスプリッタＰＢＳからプリズムＰ_１を経て再び偏光ビームスプリッタＰＢＳに戻るまでの反射光路に対して光路長差ΔＬを有する。この光路長差ΔＬは、Ｓ偏光パルス成分Ｌ_２がＰ偏光パルス成分Ｌ_１に対して実施例１で説明した式（１）で示される範囲内の遅延時間Ｔだけ遅延するように設定される。遅延時間Ｔはτ_Ｓ／２であってもよいし、これに対して±τ_Ｓ／６までの範囲でずれた時間であってもよい。また、光路長差ΔＬは、プリズムＰ_１，Ｐ_２の位置を調整することで第１のパルス周期τ_Ｓと光速ｃとの間で式（２）の関係を有するように設定される。

反射光路から偏光ビームスプリッタＰＢＳに戻ったＰ偏光パルス成分Ｌ_１はこれを透過し、遅延光路から偏光ビームスプリッタＰＢＳに戻ったＳ偏光パルス成分Ｌ_２はここで反射される。これにより、ソース光パルスＬ_０から分割されたＰ偏光パルス成分Ｌ_１の強度と、１つ前のソース光パルスＬ_０から分割されて時間Ｔだけ遅延されたＳ偏光パルス成分Ｌ_２の強度との加算値に相当する合成強度を有する第２の光パルスＬ_１２が生成される。このようにして生成された第２の光パルスＬ_１２は、遅延合波部３０から図１に示したミラー３に向かう。

ソース光パルスＬ_０の分割、Ｓ偏光パルス成分Ｌ_２の遅延および両偏光パルス成分Ｌ_１，Ｌ_２の合成の様子と、合成後の第２の光パルス列の合成強度がほぼ一定となる点は、実施例１にて図３を用いて説明したものと同様である。

そして、本実施例でも、ソース光パルスに対して十分に強度雑音成分が低減された第２の光パルス列を生成でき、ロックインアンプ１２でのＳ／Ｎ比を向上させ、良好な分子振動イメージを取得することができる。

本実施例では、ソース光パルスを偏光方向が互いに異なる（直交する）２つの光パルス成分に分割してこれらを合成する。このため、例えば遅延時間Ｔをτ_Ｓ／２として２つの光パルス成分を合成しても、これらが互いに干渉することはなく、干渉によるノイズを発生させることなく、第２の光パルス列を生成することができる。

図７には、本発明の実施例３であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部３０の具体的構成を示している。本実施例は、実施例１の変形例であり、遅延合波部３０の構成要素は実施例１と同じである。

実施例２において、遅延時間Ｔをτ_Ｓ／２としたときの合成される２つの光パルス成分間の干渉の可能性について触れたが、本実施例では、実施例２のように偏光を用いることなくその可能性を回避するための方法について説明する。具体的には、遅延時間Ｔを、実施例１に示した式（１）の範囲内であり、かつ以下の式（３）に示す範囲に含まれるように設定する。ｐは第２の光パルスのパルス幅である。
｜Ｔ−（τ_Ｓ／２）｜≧２ｐ （３）
すなわち、式（３）より、光パルス成分Ｌ_１が通る光路に対する光パルス成分Ｌ_２が通る遅延光路の光路長差ΔＬは、実施例１に示した式（２）に加え、τ_Ｓ，ｃおよびｐと以下の式（４）の関係も有するように設定されることになる。
｜ΔＬ−ｃτ_Ｓ／２｜≧２ｃｐ （４）
式（３）の範囲で遅延時間Ｔを設定し、または式（４）の範囲で光路長差ΔＬを設定することで、図８に示すように、合成される光パルス成分Ｌ_１と光パルス成分Ｌ_２とが直接重ならない。このため、これらの合成による干渉が発生せず、干渉によるノイズの発生も回避できる。なお、ロックインアンプ１２においては、光パルス成分Ｌ_１と光パルス成分Ｌ_２とが重ならなくてもそれらの合成強度を検出するので、ロックインアンプ１２での検出感度に影響はない。なぜならば、好適な第２の光パルスのパルス幅ｐは数１〜１０ ｐｓ（ピコ秒）であり、遅延時間Ｔに対して十分小さい値であるからである。

図９には、本発明の実施例４であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部３０の具体的構成を示している。本実施例は、実施例１の変形例であるが、実施例３とは異なり、合成される２つの光パルス成分間の干渉によるノイズの発生を抑制する。

本実施例によれば、遅延合波部３０にて遅延時間Ｔ＝τ_Ｓ／２が設定されて、合成される２つの光パルス成分が干渉しても、ノイズの発生は抑制することができる。

第２の光源２ａから射出されたソース光パルスＬ_０は、遅延合波部３０に設けられた第１のハーフミラーＨＭ_１にて２つの光パルス成分Ｌ_１，Ｌ_２に分割される。一方の光パルス成分Ｌ_２は、ミラーＭ_１，Ｍ_２を含む遅延光路に進み、他方の光パルス成分Ｌ_１はそのまま第２のハーフミラーＨＭ_２に進む。

ミラーＭ_１，Ｍ_２はピエゾ素子ＰＺＴの電歪効果により、光パルス成分Ｌ_１の光路に対する遅延光路の光路長差ΔＬが変化する方向に微小移動することができるように構成されている。ピエゾ素子ＰＺＴは、その共振周波数（例えば、１０ｋＨｚ程度の周波数）で駆動される。

遅延光路を介した光パルス成分Ｌ_２は、第２のハーフミラーＨＭ_２において光パルス成分Ｌ_１と合成される。

本実施例では、２つの光パルス成分Ｌ_１，Ｌ_２を合成する第２のハーフミラーＨＭ_２を一方の出力ポート（Port２）とする干渉計を備えている。出力ポート（Port２）からの出力光をアバランシェホトダイオードＡＰＤで受光し、該アバランシェホトダイオードＡＰＤにおける光電流を位相検波することで、遅延光路の光路長の最適点からのずれを求める。そして、該ずれをピエゾ素子ＰＺＴにフィードバックして、遅延光路の光路長、つまりは光路長差ΔＬを、２つの光パルス成分Ｌ_１，Ｌ_２が常に同じ位相差で重なるように（出力ポート（Port２）の出力が最小となるように）、常時、微小な光路長変調を与える。

第２のハーフミラーＨＭ_２によって２つの光パルス成分Ｌ_１，Ｌ_２が合成されることで生成された第２の光パルスＬ_１２は、干渉計の他方の出力ポート（Port１）から図１に示したミラー３に向かう。

このように、本実施例では、２つの光パルス成分Ｌ_１，Ｌ_２が常に同じ位相差を持って重なるので、これらが干渉してもノイズは発生しない。したがって、干渉によるノイズを発生させることなく、第２の光パルス列を生成することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

良好なＳ／Ｎ比を有し、顕微鏡や内視鏡等に応用が可能な誘導ラマン散乱検出装置を提供できる。

１ 第１の光パルス生成部
１ａ 第１の光源
２ 第２の光パルス生成部
２ａ 第２の光源
６ 試料
１０ 検出部
１１ ロックインアンプ
２１ 照射光学系
２２ 集光光学系
３０ 遅延合波部
１００ ＳＲＳ検出装置

Claims (10)

1. 第１の光パルスを第１の周期で生成する第１の生成手段と、
   前記第１の光パルスとは異なる光周波数を有する第２の光パルスを、前記第１の周期よりも短い第２の周期で生成する第２の生成手段と、
   前記第１および第２の光パルスを合成して試料に照射する光学系と、
   前記第１および第２の光パルスの双方が前記試料に照射されることで生じる誘導ラマン散乱により強度変調された前記第２の光パルスを検出する検出手段と、を備え、
   前記第２の生成手段は、光源から前記第２の周期で射出されるソース光パルスのそれぞれを２つの光パルスに分割する分割手段と、前記２つの光パルスのうち一方の光パルスを他方の光パルスに対して遅延させる遅延手段と、前記一方の光パルスと前記他方の光パルスとを合成して前記第２の光パルスを生成する合成手段と、を有し、
   前記第１の周期をτ _Ｓ とし、前記遅延手段が前記一方の光パルスを遅延させる遅延時間をＴとするとき、
   τ _Ｓ ／２−τ _Ｓ ／６≦Ｔ≦τ _Ｓ ／２＋τ _Ｓ ／６
   なる条件を満足することを特徴とする誘導ラマン散乱検出装置。
2. 前記遅延手段は、前記一方の光パルスが通る光路と前記他方の光パルスが通る光路とに対して光路長差を与える構成を有し、該光路長差をΔＬ、光速をｃ、とするとき、
   ｜ΔＬ−ｃτ _Ｓ ／２｜≦ｃτ _Ｓ ／６
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の誘導ラマン散乱検出装置。
3. 前記第２の光パルスのパルス幅をｐとするとき、
   ｜Ｔ−（τ _Ｓ ／２）｜≧２ｐ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の誘導ラマン散乱検出装置。
4. 前記分割手段は、前記ソース光パルスを互いに偏光方向が異なる前記２つの光パルスに分割することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱検出装置。
5. 前記検出手段は、前記第２の光パルスを前記第１の周期で同期検波するロックインアンプを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱検出装置。
6. 第１の光パルスを第１の周期で生成し、前記第１の光パルスとは異なる光周波数を有する第２の光パルスを、前記第１の周期よりも短い第２の周期で生成し、前記第１および第２の光パルスを合成して試料に照射する照射工程と、
   前記第１および第２の光パルスの双方が前記試料に照射されることで生じる誘導ラマン散乱により強度変調された前記第２の光パルスを検出する検出工程と、を有し、
   前記照射工程は、光源から前記第２の周期で射出されるソース光パルスのそれぞれを２つの光パルスに分割する分割ステップと、前記２つの光パルスのうち一方の光パルスを他方の光パルスに対して遅延させる遅延ステップと、前記一方の光パルスと前記他方の光パルスとを合成して前記第２の光パルスを生成する合成ステップと、を含み、
   前記第１の周期をτ _Ｓ とし、前記遅延ステップにおいて前記一方の光パルスを遅延させる遅延時間をＴとするとき、
   τ _Ｓ ／２−τ _Ｓ ／６≦Ｔ≦τ _Ｓ ／２＋τ _Ｓ ／６
   なる条件を満足することを特徴とする誘導ラマン散乱検出方法。
7. 前記遅延ステップにおいて、前記一方の光パルスが通る光路と前記他方の光パルスが通る光路とに対して光路長差を与えており、該光路長差をΔＬ、光速をｃ、とするとき、
   ｜ΔＬ−ｃτ _Ｓ ／２｜≦ｃτ _Ｓ ／６
   なる条件を満足することを特徴とする請求項６に記載の誘導ラマン散乱検出方法。
8. 前記第２の光パルスのパルス幅をｐとするとき、
   ｜Ｔ−（τ _Ｓ ／２）｜≧２ｐ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項６または７に記載の誘導ラマン散乱検出方法。
9. 前記分割ステップにおいて、前記ソース光パルスを互いに偏光方向が異なる前記２つの光パルスに分割することを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱検出方法。
10. 前記検出ステップにおいて、前記第２の光パルスを前記第１の周期で同期検波することを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱検出方法。