JP6108774B2 - レーザ装置およびそれを用いた光音響装置 - Google Patents
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Description
数を選択することにより、ミラーの方向に回折される光の波長を制御できるので、発振波長を選択することが可能になる。すなわち、音響光学素子に印加する超音波のRF信号により、機械的な回転機構を用いることなく所望の波長を選択することが可能となる。
出力手段と、第1および第2の反射手段との間に分岐手段が配置された共振器であって、当該共振器内の光路は、前記出力手段と前記分岐手段の間の共有部分と、前記分岐手段と前記第1および第2の反射手段それぞれとの間の第1および第2の非共有部分とを含む共振器と、
前記共有部分に配置されたレーザ媒質および波長フィルタと、
前記レーザ媒質を励起する励起手段と、
前記第1および第2の非共有部分にそれぞれ配置された第1および第2の遮蔽手段と、を有し、発振する光の波長を第1および第2の波長から選択できるレーザ装置であって、
前記波長フィルタは、前記第1の波長の光が前記レーザ媒質側から第1の偏光で入射した場合において、前記第1の偏光の透過率が第2の偏光の透過率よりも大きく、前記第2の波長の光が前記レーザ媒質側から前記第1の偏光で入射した場合において、前記第1の偏光の透過率が前記第2の偏光の透過率よりも小さくなるものであり、
前記分岐手段は、前記第1の偏光と前記第2の偏光を分岐する機能を有し、
前記第1および第2の遮蔽手段の一方が開状態となり、他方が閉状態となることで発振する光の波長が選択される
ことを特徴とするレーザ装置である。
以下に、本発明に係るレーザ装置について説明する。まずレーザ装置の各構成要素の機能について説明したのち、図面を参照しつつ実施例ごとに説明を行う。
共振器内部の光の一部を共振器外部に取り出し、残りを共振器内部に戻すものであり、所望の波長の光に対して適切な反射率を有するミラーで構成される。アウトプットカップラは出力鏡とも呼ばれ、本発明の出力部に相当する。アウトプットカップラと後述するリアミラーを両端として、以下の各構成要素を含む共振器が形成される。より詳しくは、リアミラーのうち第1のミラーとの間で第1の共振器を形成し、第2のミラーとの間で第2の共振器を形成する。
被検体が生体の場合、生体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される波長の光を照射することが望ましく、レーザ媒質はそのような波長に対して利得を有する必要がある。特に、メラニンや水の吸収を避ける必要がある場合は、波長700nm〜900nmの近赤外光を発振することが可能なレーザ媒質を用いることが好適である。このような波長域に対して利得を有するレーザ媒質としては、チタンサファイア結晶やアレキサンドライト結晶を用いることができる。その他、色素を用いることも可能である。結晶の場合は、p偏光の発振を優位にするために端面をブリュースター角になるように形成したりしてもよい。また、光が垂直入射になる場合は、所望の波長の光に対して反射防止膜を形成したりしてもよい。
波長フィルタは、レーザ媒質から発振した光に対して波長に応じた透過特性を有するフィルタである。具体的には、波長フィルタは、光学軸が板面に平行になるように加工された単軸結晶(例えば石英)からなる1枚の複屈折板もしくは複数の複屈折板で構成される
。
第1の波長の光を第1の偏光で入射した場合において、第1の偏光の光(例えばp偏光)の透過率が、第1の偏光と直交する第2の偏光の光(例えばs偏光)の透過率よりも大きい。
第2の波長の光を第1の偏光で入射した場合において、第1の偏光の光の透過率は、第2の偏光の光の透過率よりも小さい。
この機能を満たすように、波長フィルタを構成する複屈折板の膜厚および光学軸の方向が設定されている。
偏光分岐素子は、第1の偏光の光(例えばp偏光)と第2の偏光の光(例えばs偏光)とを分岐する素子である。キューブ型の偏光ビームスプリッタやプレート型の偏光ビームスプリッタなど90度の角度で分岐する素子が好適である。その他、グランレーザープリズム、ウォラストンプリズム、ローションプリズムなど、常光と異常光を異なる角度で伝搬するプリズムを用いることができる。偏光分岐素子により、第1の共振器と第2の共振器が分岐される。偏光分岐素子は本発明の分岐手段に相当する。このとき、共振器内の光路の内、アウトプットカップラから偏光分岐素子の間の光路を共有部分とも呼ぶ。また、偏光分岐素子から第1のリアミラーの間の光路を第1の非共有部分、偏光分岐素子から第2のリアミラーの間の光路を第2の非共有部分とも呼ぶ。第1の共振器は共有部分と第1の非共有部分からなり、第2の共振器は共有部分と第2の非共有部分からなる。
第1、第2の共振器の非共有部分に設けられた、光を反射する部材であり、それぞれ第1のミラー、第2のミラーである。一般に95%以上の反射率を有する誘電体多層膜によって構成される。リアミラーは反射鏡とも呼ばれ、本発明の反射部に相当する。
光路遮蔽手段は、第1、第2の共振器の非共有部分に設けられた、光を遮断する部材であり、それぞれ第1の光路遮蔽手段、第2の光路遮蔽手段である。機械的に開閉を制御する光シャッターが好適である。その他、電気光学素子と偏光板を組み合わせたもので、電気光学素子に電界を印加することで透過光の偏光状態を制御する、といったタイプでもよい。その他、リアミラーがスライド可能なステージに搭載されており、そのステージをスライドすることで光路を遮断する、といった手段であってもよい。光路遮蔽手段は本発明の第1および第2の遮蔽手段に相当する。
以下、本発明のレーザ装置の動作について図1を用いて説明する。
アウトプットカップラ117、レーザ媒質101、波長フィルタ103、偏光分岐素子107がこの順に配置されている。ここまでが、第1および第2の共振器の共有部分となる。
波長フィルタは、第1の波長において、p偏光で入射した光がp偏光で透過し、第2の波長において、p偏光で入射した光がs偏光で透過するように設定されている。
偏光分岐素子107はp偏光を透過、s偏光を反射するように設定されている。
より詳細な構成については、以下の各実施例の中で述べる。
引き続き図1を用いて、実施例1に係るレーザ装置を説明する。図中、101はチタンサファイア結晶からなるレーザ媒質であり、共振する光に対してブリュースター角となるように端面がカットされている。103は波長フィルタであり、3枚の複屈折板104−
1、104−2、104−3と2枚の偏光板105で構成されている。107は偏光ビームスプリッタからなる偏光分岐素子であり、p偏光を透過、s偏光を反射する機能を有する。109は第1の共振器に設けられた光シャッターからなる第1の光路遮断手段である。111は99%の反射率を有する第1のリアミラーである。113は第2の共振器に設けられた光シャッターからなる第2の光路遮断手段である。115は99%の反射率を有する第2のリアミラーである。117は50%の反射率を有するアウトプットカップラである。119はYAGレーザ(図中不指示)の第2高調波光からなる励起光であり、121はレーザ媒質101に励起光119を導くためのミラーである。
複屈折板104−1は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚0.7mm(所定の厚さの1倍に相当)の石英結晶からなる。複屈折板104−1を光が伝搬する時、波長799nm(第1の波長に相当)の光に対して、常光と異常光の位相差が180度の偶数倍となり、波長752nm(第2の波長に相当)の光に対して、常光と異常光の位相差が180度の奇数倍となる。複屈折板104−2は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚2.8mm(所定の厚さの4倍に相当)の石英結晶からなり、複屈折板104−3は厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚1.4mm(所定の厚さの2倍に相当)の石英結晶からなる。
図2から、波長799nmの光が最も効率よく共振できることがわかる。
図3より、例えば776nm付近の光はs偏光で共振する可能性があるが、反射率が30%以下であり、発振しきい値は図2の場合に比べて大きいことが分かる。また、レーザ媒質(結晶)101は端面がブリュースター角に加工されており、p偏光に比べs偏光の反射損失が大きくなる構成である。
態とした場合の模式図である。この時の波長フィルタ103の特性を図4、図5を用いて説明する。
図4から、波長752nmの光が最も効率よく共振できることがわかる。
図5より、例えば773nm付近の光はs偏光で共振する可能性があるが、反射率が30%以下であり、発振しきい値は図4の場合に比べて大きい。また、レーザ媒質(結晶)101は端面がブリュースター角に加工されており、p偏光に比べs偏光の反射損失が大きくなる構成である。よって、図1(b)の状態では、波長752nmの近傍でレーザ発振が起きる。
励起光119がパルス光の場合、その周期と同調して第1、第2の光路遮蔽手段109、113の開閉を制御すればよい。例えば、1パルスごとに発振波長を切り替えることも可能である。
図6は本発明のレーザ装置の第2の実施例を説明する模式図である。第1の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第1の実施例との違いは、波長フィルタの構成である。
長に相当)の光に対して、常光と異常光の位相差が180度の偶数倍となる。また、波長799nm(第2の波長に相当)の光に対して、常光と異常光の位相差が180度の奇数倍となる。
図7から、波長749nmの光が最も効率よく共振できることがわかる。
図8より、例えば770nm付近の光はs偏光で共振する可能性があるが、反射率が40%程度であり、発振しきい値は図7の場合に比べて大きい。また、レーザ媒質(結晶)101は端面がブリュースター角に加工されており、p偏光に比べs偏光の反射損失が大きくなる構成である。
図9から、波長799nmの光が最も効率よく共振できることがわかる。
図10より、例えば777nm付近の光はs偏光で共振する可能性があるが、反射率が30%程度であり、発振しきい値は図9の場合に比べて大きい。また、レーザ媒質(結晶)101は端面がブリュースター角に加工されており、p偏光に比べs偏光の反射損失が大きくなる構成である。
図11は本発明のレーザ装置の第3の実施例を説明する模式図である。第1の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第1の実施例との違いは、波長フィルタの構成、およびレーザ媒質の構成である。
図12から、波長798nmの光が最も効率よく共振できることがわかる。
図13から、波長751nmの光が最も効率よく共振できることがわかる。
図14(a)は本発明のレーザ装置の第4の実施例に用いる波長フィルタを説明する模式図である。波長フィルタ以外の基本構成は第3の実施例と同じであり、説明は省略する
。
図14(b)と図12(b)、図14(c)と図13(b)とを比較すると、本実施例では、透過スペクトルのサイドローブが抑圧できていることがわかる。
図15は本発明のレーザ装置の第5の実施例を説明する模式図である。第3の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第3の実施例との違いは、波長フィルタの構成と、第1の共振器と第2の共振器の非共通部分(第1と第2の非共通部分)の構成である。
波長フィルタ501は、厚み方向に垂直な方向に光学軸を有する膜厚0.7mm(所定の厚さの1倍に相当)の石英結晶からなる。波長フィルタ501を光が伝搬する時、波長799nm(第1の波長に相当)の光に対して、常光と異常光の位相差が180度の偶数倍となり、波長752nm(第2の波長に相当)の光に対して、常光と異常光の位相差が180度の奇数倍となる。紙面に平行な方向をp偏光の電界方向とし、その方向を0−180度、紙面に垂直な方向をs偏光の電界方向とし、その方向を90−270度とすると、光学軸の方向が45度の方向になるように波長フィルタ501が配置されている。波長フィルタ501の両面には反射防止膜(図中不指示)が形成されている。
図16(b)より、図15(a)の状態では、波長799nmの近傍の光の発振しきい値が小さくなる。また、図16(c)より、図15(b)の状態では、波長752nmの近傍の光の発振しきい値が小さくなる。
図17に本発明によるレーザ装置を光音響装置に組み込んだ例を示す。
図中、1001は第3の実施例で示したアレキサンドライト結晶を用いたレーザ装置である。1003はバンドルファイバで構成された光伝送手段であり、1005は光照射手段である。1007は被検体、1009および1011は被検体を挟んで保持する保持板である。保持板1009および1011は、例えば、厚さ10mmのポリメチルペンテン樹脂で構成されている。1013は2次元アレイ状に配置されている音響波検出器である。1006は光照射手段105より発せられた照射光である。音響波検出器1013の前面で被検体1007に照射光1006が当たるように、光照射手段1005の内部に設けられた図中不図示の光学系、例えばレンズなどで照射面積が調整されている。また、音響波検出器1013と保持板1011の間には音響波を伝搬しやすくするため水が充填されている(図中不指示)。
Claims (17)
- 出力手段と、第1および第2の反射手段との間に分岐手段が配置された共振器であって、当該共振器内の光路は、前記出力手段と前記分岐手段の間の共有部分と、前記分岐手段と前記第1および第2の反射手段それぞれとの間の第1および第2の非共有部分とを含む共振器と、
前記共有部分に配置されたレーザ媒質および波長フィルタと、
前記レーザ媒質を励起する励起手段と、
前記第1および第2の非共有部分にそれぞれ配置された第1および第2の遮蔽手段と、を有し、発振する光の波長を第1および第2の波長から選択できるレーザ装置であって、
前記波長フィルタは、前記第1の波長の光が前記レーザ媒質側から第1の偏光で入射した場合において、前記第1の偏光の透過率が第2の偏光の透過率よりも大きく、前記第2の波長の光が前記レーザ媒質側から前記第1の偏光で入射した場合において、前記第1の偏光の透過率が前記第2の偏光の透過率よりも小さくなるものであり、
前記分岐手段は、前記第1の偏光と前記第2の偏光を分岐する機能を有し、
前記第1および第2の遮蔽手段の一方が開状態となり、他方が閉状態となることで発振する光の波長が選択される
ことを特徴とするレーザ装置。 - 前記第1の偏光はp偏光であり、前記第2の偏光は前記第1の偏光と直交するs偏光である
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。 - 前記分岐手段は、偏光分岐素子であり、前記第1の偏光であるp偏光と前記第2の偏光であるs偏光を分岐する機能を有する
ことを特徴とする請求項2に記載のレーザ装置。 - 前記波長フィルタは、複屈折板で構成されており、当該複屈折板の厚さは所定の厚さである
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザ装置。 - 前記波長フィルタは、複数の複屈折板で構成されており、前記分岐手段に最も近い位置の複屈折板の厚さは所定の厚さの奇数倍であり、それ以外の複屈折板の厚さは前記所定の厚さの偶数倍である
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザ装置。 - 前記波長フィルタを構成する複数の複屈折板の間に、前記第1の偏光を透過する偏光板が挿入されている
ことを特徴とする請求項5に記載のレーザ装置。 - 前記所定の厚さは、前記複屈折板を光が伝搬する際の、前記第1の波長における常光と異常光の位相差が180度の偶数倍となり、かつ、前記第2の波長における常光と異常光の位相差が180度の奇数倍となるように設定されている
ことを特徴とする請求項4ないし6のいずれか1項に記載のレーザ装置。 - 前記波長フィルタを構成する複屈折板は、光が垂直に入射するように配置されている
ことを特徴とする請求項4ないし7のいずれか1項に記載のレーザ装置。 - 前記波長フィルタを構成する複屈折板の各面に反射防止膜が形成されている
ことを特徴とする請求項8に記載のレーザ装置。 - 前記波長フィルタを構成する複屈折板は、光がブリュースター角で入射するように配置されている
ことを特徴とする請求項4ないし7のいずれか1項に記載のレーザ装置。 - 前記波長フィルタは、前記複屈折板の板面に垂直な軸を中心に回転することが可能であり、前記波長フィルタの回転により、前記第1の波長および第2の波長の差を保ったままでそれぞれの波長をシフトすることができる
ことを特徴とする請求項10に記載のレーザ装置。 - 前記波長フィルタを構成する複屈折板は、光学軸が板面に平行になるように加工された単軸結晶であり、かつ、複数の複屈折板の光学軸の方向が一致している
ことを特徴とする請求項5または6に記載のレーザ装置。 - 前記第1の非共有部分に、前記第1の波長の光を選択的に反射する第1の反射機構を有し、前記第2の非共有部分に、前記第2の波長の光を選択的に反射する第2の反射機構を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。 - 前記第1の反射機構は、第1の分散プリズム、および、前記第1の波長の光を反射する角度に調整された第1のミラーで構成され、
前記第2の反射機構は、第2の分散プリズム、および、前記第2の波長の光を反射する角度に調整された第2のミラーで構成される
ことを特徴とする請求項13に記載のレーザ装置。 - 請求項1ないし14のいずれか1項に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置が発振した光を照射された被検体から発生する音響波を受信する音響波検出器と、
前記音響波から前記被検体内の情報を取得する信号処理部と、
を有することを特徴とする光音響装置。 - 前記第1および第2の波長はそれぞれ、酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンの吸収特性に対応する波長である
ことを特徴とする請求項15に記載の光音響装置。 - 前記被検体内の情報は酸素飽和度である
ことを特徴とする請求項16に記載の光音響装置。
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