JP6340474B2 - 光計測装置及び光計測方法 - Google Patents
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Description
PAS (3)(ωAS)=|χr (3)(ωAS)+χnr (3)|EP 2(ωP)E* S(ωS)
で表される。ここに、χr (3)(ωAS)は3次の電気感受率の分子振動の共鳴項であり、周波数依存性のないχnr (3)は非共鳴項である。また、ポンプ光及びプローブ光の電場をEPで表し、ストークス光の電場はESで表している。上式中でESの肩についたアスタリスクは複素共役を示す。CARS光の強度は以下のように表される。
ICARS(ωAS)∝|PAS (3)(ωAS)|2
(1)第一の光束と第二の光束の光量比調整
(2)ストークス光のサンプル中の集光位置調整
(3)ポンプ光のサンプル中の集光位置調整
本実施例では、ポンプ光パワーとフォトニック結晶ファイバに集光するパワーの比を調整する装置や動作の例を説明する。
図7は、パワー分岐比調整機構を備えた本実施例の光計測装置の基本的な構成例を示す模式図である。本装置は、1/2波長板702と偏光ビームスプリッタ703によるパワー分岐比調整機構を備えている。本調整機構は、分光器719からの信号を受け取るコントローラ700の指示に基づいて動作する。以下、各構成要素について詳細に説明する。
パワー分岐比調整機構とCARSスペクトルの関係について説明する。図10は、フォトニック結晶ファイバ(以下PCFと略記する)によって生成した広帯域ストークス光のスペクトルをPCFへの入射パワーごとに示した図である。横軸はポンプ光の波長1064nmを基準とした波数で表示しており、生成されるCARS光の波数に直接対応する。なおPCF出射直後のスーパーコンティニューム光は負の波数側にもスペクトルが広がっているが、ここではロングパスフィルタ707によってカットした後のスペクトルを示した。
図12は、光計測装置のコントローラがユーザによる測定対象物質の指定を受けてから測定終了までの処理の例を示すフローチャートである。S1401にてコントローラ700は、ユーザインターフェースを介してユーザからアミドIなどの測定対象物質の指定を受ける。S1402にてコントローラ700は、測定対象物質に対応するCARS光の波数を求める、すなわち測定対象物質を対応する波数に変換する。例えばアミドIでは1650cm-1などである。S1403にてコントローラ700は、ユーザインターフェースに「調整中」などの表示を行う。S1404にてコントローラ700は、1/2波長板702を回転することによりパワー分岐比を変化させながら、S1402で決定した波数における信号強度をモニタし両者の関係を取得する。ここで用いる信号は測定対象から得られるCARS光でもよいし、培地などから得られる非共鳴光でもよい。S1405にてコントローラ700は、S1404で求めた関係から信号強度最大となるパワー分岐比に設定する。S1408にてコントローラ700は、ユーザインターフェースに調整完了などの表示を行い、S1409にて測定を開始する。なお、ここで測定とは指定された領域のCARSスペクトル、又は指定された領域のCARSスペクトルイメージを取得することである。
本実施例の効果を図14に示す。図14は、指紋領域のS/N向上の例を示す図である。図14には、調整を行う前の脂肪細胞の図6に示したスペクトル1801も同時に示した。調整を行う前には2900cm-1近傍のCH伸縮に対応する信号が高強度で得られているが、指紋領域内の信号が殆ど得られていない。一方、スペクトル1802はスペクトル1801と同じ細胞の同じ位置において、本実施例に従う装置及び調整方法によって指紋領域の強調調整を行い得られたスペクトルである。本調整によって指紋領域内のアミドIII、CH変角、アミドIなどの信号が得られている。
本実施例では、ストークス光のフォーカス調整を行う装置や動作の例を説明する。なお実施例1と同様な内容については説明を省略する。
図16は、本実施例の光計測装置の基本的な構成例を示す模式図である。本装置は、ストークス光のサンプル中の集光位置を調整する調整部として、コリメートレンズ706によるスーパーコンティニューム光の発散収束状態調整機構を備えている。本調整機構は、分光器719からの信号を受け取ったコントローラ700の指示に基づいて動作する。
スーパーコンティニューム光の発散収束状態調整機構とCARSスペクトルの関係について説明する。CARS過程は非線形光学効果の一つであり、サンプル中でポンプ光とストークス光の集光位置がずれている場合、CARS光生成効率が急激に低下する。すなわち、ポンプ光とストークス光が同じ位置に集光している領域のみからCARS光が生成される。
図18は、ユーザによる測定対象物質の指定を受けてから測定終了までの処理の例を示すフローチャートである。S1401からS1403までは実施例1と同様である。
本実施例によってコリメートレンズのZ位置調整のみの簡便な構成および方法により広帯域ストークス光のポンプ光との合波状態およびサンプル中の集光状態を調整することが可能となる。これによって安価かつ短時間で所望の波数帯域の高S/N化を実現できる。なお実施例1とは原理が異なるが、調整によって誘起される現象については同様であるので具体的な例については説明を省略する。
本実施例では、ポンプ光のフォーカス調整を行う装置や動作の例を説明する。なお実施例1と同様な内容については説明を省略する。
図20は、本実施例の光計測装置の基本的な構成例を示す模式図である。本装置は、ポンプ光のサンプル中の集光位置を調整する調整部として、レンズ710及び711によるポンプ光の発散収束状態調整機構を備えている。本調整機構は、分光器719からの信号を受け取ったコントローラ700の指示に基づいて動作する。
ポンプ光の発散収束状態調整機構とCARSスペクトルの関係について説明する。実施例2で述べた通り、ポンプ光とストークス光の合波状態によって生成されるCARS光の波長が変化し、結果としてスペクトルが変化する。本実施例では、ポンプ光の発散収束状態が変化することにより、図17においてポンプ光のZ集光位置が変化する。そのため、サンプル714中でポンプ光と空間的に重なるストークス光の波長が変化し、その合波状態によりCARS光の発生条件が変化する。
本実施例における装置動作は実施例2の図18の動作と同様である。S1406にてレンズ710とレンズ711の相対Z位置を変化させることによりポンプ光の発散収束状態を変化させ、サンプル内でのポンプ光のフォーカス位置を変化させる。フォーカス位置を変化させながらS1402で決定した波数における信号強度をモニタし、両者の関係を取得する。その他の動作については実施例2と同様であるため説明を省略する。
本実施例によってコリメートレンズのZ位置調整のみの簡便な構成および方法によりポンプ光のストークス光との合波状態およびサンプル中の集光状態を調整することが可能となる。これによって安価かつ短時間で所望の波数帯域の高S/N化を実現できる。なお実施例1とは原理が異なるが、調整によって誘起される現象については同様であるので具体的な例については説明を省略する。
本実施例では、ポンプ光パワーとフォトニック結晶ファイバに集光するパワーの比、ポンプ光のフォーカス、及びストークス光のフォーカスの調整を行う装置や動作の例を説明する。なお、実施例1と同様な内容については説明を省略する。
図23は、本実施例の光計測装置の基本的な構成例を示す模式図である。本装置は、第一の調整機構である1/2波長板702及び偏光ビームスプリッタ703によるパワー分岐比調整機構、第二の調整機構であるコリメートレンズ706によるスーパーコンティニューム光の発散収束状態調整機構、第三の調整機構であるレンズ710及び711によるポンプ光の発散収束状態調整機構を備えている。それぞれの調整機構は、分光器719からの信号を受け取るコントローラ700の指示に基づいて動作する。その他の構成については実施例1と同様であるので説明を省略する。
図24は、ユーザによる測定対象物質の指定を受けてから測定終了までの処理の例を示すフローチャートである。S1401からS1403までは実施例1と同様である。S1404にてコントローラ700は、第一の調整機によってパワー分岐比と、S1402で決定した波数における信号強度の関係を取得する。ここで用いる信号は測定対象から得られるCARS光でもよいし、培地などから得られる非共鳴光でもよい。S1405にてコントローラ700は、S1404で求めた関係から信号強度最大となるパワー分岐比に設定する。
本実施例によって必要十分な波長帯域を有する広帯域ストークス光を生成するとともに、ポンプ光とストークス光との合波集光状態を調整することが可能となる。これらの調整によって、実施例1から3までと比較してより高S/N化を実現できる。本実施例の構成及び調整方法は、微小な信号が密集している指紋領域のスペクトル取得やイメージングに極めて有効である。なお調整によって誘起される現象については実施例1と同様であるので具体的な例については説明を省略する。
102 振動励起状態
103 中間状態
104 中間状態
105 中間状態
700 コントローラ
701 短パルスレーザ光源
702 1/2波長板
703 偏光ビームスプリッタ
704 集光レンズ
705 フォトニック結晶ファイバ
706 コリメートレンズ
707 ロングパスフィルタ
708 ダイクロイックミラー
709 ミラー
710 レンズ
711 レンズ
712 ミラー
713 対物レンズ
714 サンプル
715 コリメートレンズ
717 ノッチフィルタ
718 ショートパスフィルタ
719 分光器
720 集光レンズ
721 光ファイバ
722 コリメートレンズ
723 空間位相変調器
724 ロングパスフィルタ
1901 脂肪滴
Claims (16)
- 短パルスレーザ光源と、
前記短パルスレーザ光源からの出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐する分岐部と、
前記第一の光束からスーパーコンティニューム光を生成させる光ファイバと、
前記スーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし前記第二の光束をポンプ光として両者を合波する合波部と、
前記合波部で合波された光をサンプルに集光する集光光学系と、
前記サンプルより生じた光を検出する分光器と、
前記分光器で検出されたスペクトルの所望帯域の強度に基づいて前記分岐部における前記第一の光束と前記第二の光束の光量比を調整する光量比調整部と、
を有する光計測装置。 - 請求項1記載の光計測装置において、
前記ポンプ光となる前記第二の光束を伝播させる第二の光ファイバを有する光計測装置。 - 請求項1又は2記載の光計測装置において、
前記ストークス光のサンプル中の集光位置を調整する調整部を有する光計測装置。 - 請求項1又は2記載の光計測装置において、
前記ポンプ光のサンプル中の集光位置を調整する調整部を有する光計測装置。 - 請求項4記載の光計測装置において、
前記調整部は空間光位相変調器を備える光計測装置。 - 短パルスレーザ光源と、
前記短パルスレーザ光源からの出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐する分岐部と、
前記第一の光束からスーパーコンティニューム光を生成させる光ファイバと、
前記スーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし前記第二の光束をポンプ光として両者を合波する合波部と、
前記合波部で合波された光をサンプルに集光する集光光学系と、
前記サンプルより生じた光を検出する分光器と、
前記分光器で検出されたスペクトルの所望帯域の強度に基づいて前記ストークス光のサンプル中の集光位置を調整する調整部と、
を有する光計測装置。 - 請求項6記載の光計測装置において、
前記調整部は前記ストークス光の発散収束量を調整する光計測装置。 - 請求項6記載の光計測装置において、
前記ポンプ光となる前記第二の光束を伝播させる第二の光ファイバを有する光計測装置。 - 短パルスレーザ光源と、
前記短パルスレーザ光源からの出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐する分岐部と、
前記第一の光束からスーパーコンティニューム光を生成させる光ファイバと、
前記スーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし前記第二の光束をポンプ光として両者を合波する合波部と、
前記合波部で合波された光をサンプルに集光する集光光学系と、
前記サンプルより生じた光を検出する分光器と、
前記分光器で検出されたスペクトルの所望帯域の強度に基づいて前記ポンプ光のサンプル中の集光位置を調整する調整部と、
を有する光計測装置。 - 請求項9記載の光計測装置において、
前記調整部は前記ポンプ光の発散収束量を調整する光計測装置。 - 請求項9記載の光計測装置において、
前記ポンプ光となる前記第二の光束を伝播させる第二の光ファイバを有する光計測装置。 - 請求項9記載の光計測装置において、
前記調整部は空間光位相変調器を備える光計測装置。 - 短パルスレーザ光源からの出射光を第一の光束と第二の光束とに分岐し、
前記第一の光束から生成したスーパーコンティニューム光のうちの長波長成分をストークス光とし前記第二の光束をポンプ光として同軸上に合波し、
合波した光をサンプルに集光することによって生じるスペクトルを検出する光計測方法であって、
前記検出されたスペクトルの所望帯域の強度に基づいて下記(1)(2)(3)の少なくともいずれかの調整を行う光計測方法。
(1)前記第一の光束と前記第二の光束の光量比調整
(2)前記ストークス光のサンプル中の集光位置調整
(3)前記ポンプ光のサンプル中の集光位置調整 - 請求項6記載の光計測装置において、
前記ストークス光のサンプル中の集光位置の調整は、前記ストークス光の光路中に設けられたレンズの位置を光軸方向に調整することによって行われる光計測装置。 - 請求項9記載の光計測装置において、
前記ポンプ光のサンプル中の集光位置の調整は、前記ポンプ光の光路中に設けられたレンズの位置を光軸方向に調整することによって行われる光計測装置。 - 請求項6記載の光計測装置において、
前記ストークス光のサンプル中の集光位置の調整は、複数の波数帯域それぞれで実行され、
前記複数の波数帯域における計測結果を連結して表示する光計測装置。
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