JP6103008B2 - 非線形ラマン分光装置、顕微分光装置及び顕微分光イメージング装置 - Google Patents
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Description
短パルスレーザ光を発生する第1の光源と、
該第1の光源よりも長波長の短パルスレーザ光を発生する第2の光源と、
前記第2の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるパルス制御部と、
前記第1の光源から出射された短パルスレーザ光から、連続白色光からなるストークス光を生成する偏波面保存シングルモードファイバと、
を有するものである。
また、前記第1の光源から出射された短パルスレーザ光からストークス光が生成すると共に、前記第2の光源からの光をポンプ光兼プローブ光とし、前記パルス制御部により前記第2の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させることにより、前記ストークス光とポンプ光兼プローブ光とを同時に測定対象の試料に照射してもよい。
更に、前記パルス制御部は、前記第2の光源を電気的に制御することにより、短パルスレーザ光を時間遅延させることもできる。
加えて、前記第1の光源と前記偏波面保存シングルモードファイバとの間には、半波長板を配置することもできる。
更にまた、ストークス光と、ポンプ光兼プローブ光とを合波した後で、これらの時間差を検出する時間差測定部を有し、該時間差測定部での検出結果が前記パルス制御部にフィードバックされるようにしてもよい。
1.第1の実施の形態
(ストーク光の生成にシングルモードファイバを使用した装置の例)
2.第2の実施の形態
(ポンプ光及びプローブ光の光路上に光ファイバを配置した装置の例)
3.第3の実施の形態
(測定スペクトルを正規化処理する演算部を備えるシステムの例)
4.第4の実施の形態
(2台の光源を備える装置の例)
5.第4の実施の形態の変形例
(フィードバック機構を備える装置の例)
6.第5の実施の形態
(AOTFを備える装置の例)
7.第6の実施の形態
(ロックインアンプを使用した装置の例)
[装置の全体構成]
先ず、本開示の第1の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図1は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態の非線形ラマン分光装置1は、CARS分光装置であり、図1に示すように、光源部10、ポンプ・プローブ光生成部20、ストークス光生成部30、光照射部40及び計測部50が設けられている。
光源部10は、少なくとも、パルス光を出射するレーザ11、及びパルス光をポンプ・プローブ光生成部20とストークス光生成部30とに振り分ける偏光ビームスプリッタ13を備えている。そして、光源部10は、ポンプ・プローブ光生成部20及びストークス光生成部30に向けて、所定のパルス光を出射する。
ポンプ・プローブ光生成部20には、光源部10から入射したパルス光(ポンプ光3)を、後述するストークス光5と同時に照射するために、光路長調整機構が設けられている。具体的には、ポンプ光3を、複数のミラー22a〜22d,23a,23b,24,25a,25bで反射することにより、光路長を調整して、ストークス光5とタイミングを合わせる。
ストークス光生成部30は、光源部10から入射したパルス光4から連続白色光であるストークス光5を生成するものであり、少なくとも、シングルモードファイバ32を備えている。ここで、ストークス光5の波長域は、分子指紋領域(ラマンシフト量で300〜3600cm−1)に対応するストークス光の波長であり、下記数式1により表される。なお、下記数式1におけるλはストークス光の波長(nm)、λpはポンプ光の波長(nm)であり、また、波数ω(cm−1)と波長λ(nm)との関係は、下記数式2で表すことができる。
光照射部40は、ポンプ・プローブ光生成部20から出射したポンプ光3と、ストークス光生成部30から出射したストークス光5が同軸になるよう重ね合わせ、同時に試料2に照射するものである。この光照射部40の構成は、特に限定されるものではないが、例えば、ノッチフィルタ41、ビームエキスパンダ42,43、ミラー44、対物レンズ45などで構成することができる。
計測部50は、試料2から発せられたCARS光を測定するものであり、例えば、対物レンズ51、ショートパスフィルタ52及び分光器53などが設けられている。ショートパスフィルタ52は、ポンプ光3及びストークス光5を遮断し、CARS光のみを通過させるものである。同時に、試料で発生した蛍光も、ポンプ光3の波長よりも長波長であるため、ポンプ光3及びストークス光5と同様に効率良く遮断することができる。
)アレイ検出器を装着したポリクロメータ、モノクロメータ又はPMT(Photomultiplier Tube:光電子増倍管)などを使用することができる。そして、ポリクロメータとしては、例えばSHAMROCK社製 SR−303iを使用することができ、その場合、1200本/mmの回折格子が用いられる。また、CCD検出器には、ANDOR社製 NEWTON DU970N BVを使用することができる。
次に、本実施形態の非線形ラマン分光装置1の動作、即ち、非線形ラマン分光装置1を使用して、試料2のCARSスペクトルを測定する方法について説明する。本実施形態の非線形ラマン分光装置1においては、先ず、光源部10において、レーザ11から出射されたパルス光を、偏光ビームスプリッタ13によって2分割し、それぞれポンプ・プローブ光生成部20とストークス光生成部30とに導入する。
[装置の全体構成]
次に、本開示の第2の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図6は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図6においては、図1に示す第1の実施形態の非線形ラマン分光装置1の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
ポンプ・プローブ光生成部70に配置される光ファイバ73としては、例えば、数mW以下の低励起パワーを入力する場合であれば、シングルモードファイバや偏波面保存シングルモードファイバを使用することができる。これは、励起パワーが低い場合は、ファイバ内でカスケードに誘導ラマン散乱光が発生せず、単なる光伝送用として用いることができるためである。このような場合に使用可能なシングルモードファイバとしては、Nufern社製 630HPなどが挙げられ、偏波面保存ファイバとしては、Nufern社製 PM−460−HP及びFIBERCORE社製 HB8600などが挙げられる。
本実施形態の非線形ラマン分光装置61においては、光源部10に、第2高調波発生用光学結晶14が配置されている。そして、この第2高調波発生用光学結晶14により、レーザ11から出射した励起光を波長変換してポンプ光としている。具体的には、例えば励起光が1064nmの場合、波長変換により532nmの緑色光となる。
[システムの全体構成]
次に、本開示の第3の実施形態に係る非線形ラマン分光システムについて説明する。図7は本実施形態の非線形ラマン分光システムの構成を示す概念図である。なお、図7においては、図1に示す第1の実施形態の非線形ラマン分光装置1の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
演算部80には、演算装置である電子計算機と、表示装置などが設けられており、計測部50の分光器で検出したCARSスペクトルの分布を正規化し、その結果などを表示する。以下、正規化のための具体的演算処理方法について説明する。
January 2009 / Vol. 17, No. 1 / OPTICS EXPRESS 123 参照)。
[装置の全体構成]
次に、本開示の第4の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図15は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図15においては、図1に示す第1の実施形態の非線形ラマン分光装置1の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
光源部110に設けられるレーザ11a,11bは、短パルスレーザ光を発生するものであればよく、例えば、小型アクティブQスイッチ短パルスレーザ励起光源を使用することができる。EOMやAOMを共振器内に備えたアクティブQスイッチ短パルスレーザ励起光源は、パッシブQスイッチ短パルスレーザ励起光源と同様に、安価で小型のものが入手可能である。
:YAG、Nd:YVO4またはNd:YLF短パルスレーザやYb系ドープファイバー短パルスレーザ、およびそれらの第2高調波などを用いることも可能である。
本実施形態の非線形ラマン分光装置100では、前述した第1〜第3の実施形態の非線形ラマン分光装置と同様に、シングルモードファイバ32、好ましくは偏波面保存シングルモードファイバにより、ストークス光5となる連続白色光(スーパーコンティニューム)を生成している。シングルモードファイバ32のファイバ長は、2〜20mであることが好ましく、より好ましくは6〜15mである。
次に、本実施形態の非線形ラマン分光装置100の動作、即ち、非線形ラマン分光装置100を使用して、試料2のCARSスペクトルを測定する方法について説明する。本実施形態の非線形ラマン分光装置100においては、光源部10において、レーザ11aからストークス光生成用の短パルスレーザ光が、レーザ11bからはポンプ・プローブ光3となる短パルスレーザ光が発生する。
[装置の全体構成]
次に、本開示の第4の実施形態の変形例に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図21は本変形例の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図21においては、図15に示す第4の実施形態の非線形ラマン分光装置100の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
時間差測定部160には、色分離フィルタ161、検出器162,163、デジタルオシロスコープ164などが設けられている。そして、光照射部140において、ポンプ・プローブ光3とストークス光5を合波した後、色分離フィルタ161で再び分離し、同距離離れた所に設置された高速フォトダイオード検出器162,163などを用いて、時間差を精度よく検出する。その検出結果は、パルス発生・遅延器15の時間遅延回路にフィードバックする。
[装置の全体構成]
次に、本開示の第5の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図22は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図22においては、図21に示す第4の実施形態の変形例の非線形ラマン分光装置200の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の非線形ラマン分光装置300では、AOTF35を用いて、その駆動ドライバの周波数変調を、このピーク強度に反比例した時間だけ、その波長成分に割り当てるように電子回路的に制御(波長掃引)する。これにより、ストークス光強度分布の平坦でない領域の波長成分の試料照射時間を調整し、CCD検出器55の光蓄積時間において、平均強度をそろえる。その結果、実効的に平坦なストークス光強度分布を得ることができる。
[装置の全体構成]
次に、本開示の第6の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図23は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図23においては、図22に示す第5の実施形態の非線形ラマン分光装置300の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図23に示すように、本実施形態の非線形ラマン分光装置400では、計測部450にロックインアンプ58が設けられている。
計測部450には、対物レンズ51、ショートパスフィルタ52、集光レンズ56、光電子増倍管又はアバランシェフォトダイオードなどの光検出器57、ロックインアンプ58、電子計算機59などが設けられている。そして、試料2から発せられたCARS光は、対物レンズ51で集光した後、ショートパスフィルタ52でポンプ光3やストークス光5などの不要光を遮断した後、集光レンズ56を介して光検出器57に入射する。また、光検出器57からの信号は、ロックインアンプ58に入力され、ロックインアンプ58から電子計算機59に出力される。
この非線形ラマン分光装置400では、単一波長のストークス光を生成するために、連続白色光から、AOTF35と検光子36(又はPBS)を後段に配置し、波長選択又は波長掃引する。AOTF35は、スペクトル分解能及び分解効率が高く、かつ波長の切り替え(又は掃引速度)も、一般に10〜100msと速い。
(1)
短パルスレーザ光を発生する2つの光源と、
該光源の一方から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるパルス制御部と、
を有する非線形ラマン分光装置。
(2)
前記2つの光源は、短パルスレーザ光を発生する第1の光源と、該第1の光源よりも長波長の短パルスレーザ光を発生する第2の光源であり、
前記パルス制御部は、前記第2の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させる(1)に記載の非線形ラマン分光装置。
(3)
前記第1の光源から出射された短パルスレーザ光からストークス光が生成すると共に、前記第2の光源からの光をポンプ光兼プローブ光とし、
前記パルス制御部により前記第2の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させることにより、前記ストークス光とポンプ光兼プローブ光とが同時に測定対象の試料に照射される(2)に記載の非線形ラマン分光装置。
(4)
前記第1の光源から出射された短パルスレーザ光から、連続白色光からなるストークス光を生成するシングルモードファイバを有する(2)又は(3)に記載の非線形ラマン分光装置。
(5)
前記パルス制御部は、前記第2の光源を電気的に制御することにより、短パルスレーザ光を時間遅延させる(2)〜(4)のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置。
(6)
ストークス光と、ポンプ光兼プローブ光とを合波した後で、これらの時間差を検出する時間差測定部を有し、
該時間差測定部での検出結果が前記パルス制御部にフィードバックされる(1)〜(5)のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置。
(7)
前記シングルモードファイバの後段に音響光学波長可変フィルタが配設されている(4)に記載の非線形ラマン分光装置。
(8)
ストークス光の強度分布に応じて、波長選択時間又は前記音響光学可変フィルタの超音波強度を変調する(7)に記載の非線形ラマン分光装置。
(9)
前記音響光学可変フィルタにより、複数の分子振動スペクトルに対応する波長選択を行って、コヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン散乱スペクトル強度を測定し、基準スペクトル強度に対する定量比を測定又はイメージングする(7)又は(8)に記載の非線形ラマン分光装置。
(10)
(1)〜(9)のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光装置。
(11)
(1)〜(9)のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光イメージング装置。
2 試料
3 ポンプ・プローブ光
4 励起パルス光
5 ストークス光
10、110 光源部
20、70 ポンプ・プローブ光生成部
30、130 ストークス光生成部
32 シングルモードファイバ
40、140 光照射部
50、150、450 計測部
73 光ファイバ
80 演算部
81 非線形ラマン分光システム
160 時間差測定部
Claims (8)
- ストークス光を生成するための短パルスレーザ光を発生する第1の光源と、
該第1の光源よりも長波長であって、ポンプ光兼プローブ光を生成するための短パルスレーザ光を発生する第2の光源と、
前記第2の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるパルス制御部と、
前記第1の光源から出射された短パルスレーザ光から、連続白色光からなるストークス光を生成する偏波面保存シングルモードファイバと、
前記第1の光源から出射される短パルスレーザ光の偏光面を、前記偏波面保存シングルモードファイバの進相軸又は遅相軸と平行にするための、前記第1の光源と前記偏波面保存シングルモードファイバとの間に配置された第1の半波長板と、
前記第2の光源から出射された短パルスレーザ光から生成されたポンプ光の偏光面の方向を、前記偏波面保存シングルモードファイバから出射されるストークス光の偏光面の方向と一致させるための第2の半波長板と、
を有し、
前記パルス制御部により前記第2の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させることにより、前記ストークス光とポンプ光兼プローブ光とが同時に測定対象の試料に照射される非線形ラマン分光装置。 - 前記パルス制御部は、前記第2の光源を電気的に制御することにより、短パルスレーザ光を時間遅延させる請求項1に記載の非線形ラマン分光装置。
- ストークス光と、ポンプ光兼プローブ光とを合波した後で、これらの時間差を検出する検出部を有し、
該検出部での検出結果が前記パルス制御部にフィードバックされる請求項1又は2に記載の非線形ラマン分光装置。 - 前記偏波面保存シングルモードファイバの後段に音響光学波長可変フィルタが配設されている請求項1から3のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光装置。
- ストークス光の強度分布に応じて、波長選択時間又は前記音響光学可変フィルタの超音波強度を変調する請求項4に記載の非線形ラマン分光装置。
- 前記音響光学可変フィルタにより、複数の分子振動スペクトルに対応する波長選択を行って、コヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン散乱スペクトル強度を測定し、基準スペクトル強度に対する定量比を測定又はイメージングする請求項4又は5に記載の非線形ラマン分光装置。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光装置。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光イメージング装置。
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