JP6400153B2 - レーザー装置および光音響装置 - Google Patents
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Description
波長選択機構として複屈折板を用いる場合は、共振する光束の光軸が複屈折板の入射および射出面に対して一定角度を維持するように複屈折板を機械的に回転させることにより波長選択を行う。
従来の、プリズムや回折格子を用いる波長可変機構では、ステージ等により反射鏡位置を回転制御する。ここで、もし反射鏡の回転位置ずれが起きると、発振波長が変動する。また、反射鏡のあおり角度がずれた場合は、アライメントずれにより発振出力が低下する。このため、波長を変更するたびに(例えば発振パルスごと)ステージ位置を精度よく移動させ、かつ、レーザー発振時にはその位置を安定的に静止させる必要がある。すなわち、波長の変更ごとにステージの回転と静止を繰り返すことになる。
しかし、駆動ステージに信頼性の高い部材を用いたとしても、繰り返し駆動に対する耐久性には限界がある。
上述の問題点を踏まえると、波長ずれや光路角度ずれをもたらす懸念の少ない波長可変機構が好ましい。
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、
出力鏡と、固定された複数の反射面を有する反射手段とで形成される共振器と、
前記共振器内の光軸に配置されるレーザー媒質と、
前記レーザー媒質から光が発振して形成される前記光軸上の光路を、前記複数の反射面のいずれかを端部とする複数の光路に分岐させる分岐手段であって、前記光軸外の位置にあるときは、前記光軸と同一の直線上に並ぶ第一光路を形成し、前記光軸上の位置にあるときは、前記光軸の光を平行に移動させて分岐光路を形成する分岐手段と、
前記分岐手段を、前記光軸上の位置と前記光軸外の位置との間で移動させる移動手段と、
を有し、
前記分岐手段は周方向に一部が欠けている平行平板であり、
前記移動手段は前記平行平板の前記周方向に欠けている部分が前記光軸上を通過するように前記周方向に前記平行平板を回転制御し、
前記光路に対応する前記反射面に応じて出力する光の波長が定められる
ことを特徴とするレーザー装置である。
の波長を簡便かつ安定性よく変更できるので、様々な、光吸収特性の異なる組織(光吸収体)の存在を特性情報として識別可能になる。
以下、実施形態ごとに、レーザー装置の波長可変機構の構成を説明する。
図1は本実施形態のレーザー共振器の構成図である。
励起光源101は、レーザー媒質102を励起するための光源である。出力鏡103、反射鏡104は、両者の間で反射する光の光軸を105とするレーザー共振器を構成する。平行平板106は、本実施形態における分岐用光学部材であり、光軸105上の位置(106a)と、光軸外の位置(106b)の間を移動する。平行平板106が光軸上に挿入された際に生じる光路が分岐光路107である。反射鏡108は分岐光路107上に配置されており、出力鏡103との間で共振器を構成する。平行平板106を光軸外に退出させた場合の光路を第一光路109とする。ここでは、光軸105と第一光路109は同一の直線上に並ぶ。
平板106は入射光に対してブリュースター角で配置する事が好ましい。なお、損失低減のために、入射面および射出面に誘電体反射防止膜を備える構成でも良い。
以上述べたように、分岐用光路部材に平行平板を用いることにより、安定した共振状態を維持したレーザー発振が可能となることが分かる。
平行平板をパルスごとに制御して移動させることにより、パルスごとに異なる2波長で発振するレーザー装置を構成できる。図2には、平行平板を回転制御して光路切り替えを行う例を示す。光軸205、平行平板206、第一光路209,分岐光路207は、それぞれ図1のものに相当する。その他の構成要素は図1と同様である。ここでの平行平板206は、円形であり、回転軸を中心として一部が扇形状に欠けたものが好ましい。
図1を用いて、本実施形態のレーザー発振制御について、10Hzの繰り返し周波数で発振するパルスレーザーの例を挙げて説明する。
(平行平板により3波長以上のレーザー光を発振させる構成)
図3Aは本実施形態のレーザー共振器の構成図である。
本実施形態では、平行平板306を用いて3波長から所望の波長を選択できる。レーザー媒質を励起する励起光源301、レーザー媒質302、出力鏡303については、図1と同様の構成である。
状態2(位置306a)は、平行平板306の厚みが薄い部分を光束が通過する状態である。このとき、第二の波長を発振する光束が通過する第一分岐光路307とその反射鏡308が共振器に含まれる。
状態3(位置306c)は、平行平板306の厚みの厚い部分を光束が通過する状態である。このとき、第三の波長を発振する光束が通過する第二分岐光路310とその反射鏡311により共振器が形成される。
本実施形態では3波長から発振波長を選択する例を示したが、さらに厚みの数を増やすことにより、4波長以上から選択することも可能である。
(楔形部材対を利用する平行ずれ量の増大方法)
本実施形態では、分岐用光学部材として楔形部材対を用いることにより、分岐光路の平行ずれ量を増大させる方法を説明する。図4において、光軸405、分岐光路407、第一光路409は、それぞれ図1のものと対応する。
(平行平板を2個用いる平行ずれ量の増大方法)
本実施形態では、平行ずれ量を増やす別の方法について、図5を示して説明する。図中、光軸505、第一光路509、分岐光路507については、図1等と同様である。
506が光軸505の外に退出した状態における第一光路509の光束上からはずれた位置に固定される。
(波長選択方法の一形態)
上記各実施形態では光路を平行にずらすための分岐用光学部材のバリエーションを挙げたが、ここでは、波長選択のための構成について説明する。
励起光源601、レーザー媒質602、出力鏡603、光軸605、平行平板606、平行平板606の移動により形成される第一光路609および分岐光路607については、上記各実施形態と同様である。
第一光路609と分岐光路607の光路の平行ずれ量が小さい場合は、それぞれの光路の端部に異なるプリズムを配置する代わりに、図7に示すように反射部に角度の異なる2面の反射面を有する反射用プリズム704を用いる事が可能である。図7では、発振させる波長において、プリズム704の屈折率から考慮される光路角度ずれに対応して、各波長の光束が反射して共振するようなプリズム704を用いる必要がある。
(波長選択方法の一形態)
図8は本実施形態のレーザー共振器の構成図である。
励起光源801、レーザー媒質802、出力鏡803、光軸805、分岐用光学部材である平行平板806については、上記各実施形態のものと同様である。
(波長検知を含む一実施形態)
上記各実施形態では、分岐用光学部材の位置を制御して、あらかじめ決められた波長が発振するように波長を選択している。すなわち、分岐用光学部材が波長変換機構である。このような波長変換機構においては、以下の構成を採用することにより、どの波長のレーザー光が発振しているかを検知する事が容易となる。
(波長検知を含む一実施形態)
図10に、実施形態7とは別の発振波長検知方法を示す。実施形態7と異なる点は、図
9の光検出器910および911に代えて、フォトカプラー1010を有する点である。
(熱レンズ補正を含む一実施形態)
レーザー装置にアレキサンドライトレーザーを用いる場合は、発振の上準位寿命が長いためフラッシュランプ励起が好適である。フラッシュランプは比較的安価な励起手段であり、かつ出力エネルギーの大きな用途に好適であるという長所がある。一方、発光スペクトル幅が広く励起による光利用変換効率が低いため、レーザー発振に不要な熱が生じる問題がある。レーザー媒質に吸収された熱はレーザー媒質内部に屈折率変化をもたらし、熱レンズ効果が生じる。レーザー媒質にアレキサンドライトを利用する場合、熱レンズ効果による線質の低下を軽減することが不可欠である。
(レーザー装置を用いた光音響装置)
上記各実施形態では、波長可変レーザー装置において、波長ずれや光路角度ずれを長期間に渡り考慮しなくても済むような、安定的に波長選択を行える構成を示した。
り、2波長以上の波長を用いる測定が精度よく行える。特に、血液中のヘモグロビンの酸素飽和度を求めることで生体内の機能情報を抽出することが可能となる。酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収係数は800nm付近で交差するため、800nm前後の波長領域を照射可能なレーザー装置が好適である。そして、本発明のレーザー装置であれば、パルスごとに必要な波長の光を照射できるので、体動などの影響が抑制された精度良い酸素飽和度分布の検出が可能となる。
まず、超音波素子とレーザー照射部が一体化したプローブを、固定した被検体上で走査する固定型PAT装置が挙げられる。本発明のレーザー装置であればパルスごとに波長を切り替えられるので、プローブの走査速度を速めた場合でも、ほぼ同じ位置から、異なる波長の光に基づく光音響波を取得することができ、診断の迅速化が可能となる。また、ほぼ同じ時刻に、同じ位置から、異なる波長の光に基づく光音響波を取得することができるため、呼吸などによる測定位置ずれの影響を軽減できる。すなわち、2波長の照射光による受信信号を高精度に比較する事が可能となる。
以下に医療用PAT装置に本発明のレーザー装置を適用した実施例を示す。
図12は、医療用PAT装置1200に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、アレキサンドライト結晶をレーザー媒質とし、波長800nmと755nmのレーザー発振が可能である。励起光は繰り返し周波数10Hzで駆動する。
てブリュースター角となるように配置される。出力鏡1203には、波長800nmと波長755nmが透過率40%となる誘電体膜が付与される。反射鏡1204には、中心波長800nmの光を高反射する誘電体反射膜が、反射鏡1208には、中心波長755nmの光を高反射する誘電体反射膜が付与される。出力鏡1203と励起チャンバー1210の間の光軸1205の上には、ポッケルスセルから成るQスイッチ1211が配置される。
まず、平行平板が位置1206bにある状態でフラッシュランプを発光させ、発光をトリガーとして出力エネルギーが最大となるタイミングである150μs後にQスイッチ1211によりレーザーを発振させる。すると、出力鏡1203と反射鏡1204間で共振した光束が、発振波長800nm、パルス幅50ns、出力150mJ/pulse、スペクトル線幅8nm(半値全幅)で放射される。
続いて、平行平板を並進制御して位置1206aに移動させる。そして、フラッシュランプを発光させる。ランプの繰り替えし周波数は10Hzである。発光をトリガーとして150μs後にQスイッチによりレーザーを発振させる。すると、光束が、分岐光路1207を通り出力鏡1203と反射鏡1208からなる共振器で共振する。発振するレーザー光は、発振波長755nm、パルス幅50ns、出力200mJ/pulse、スペクトル線幅8nm(半値全幅)である。
Claims (12)
- 出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、
出力鏡と、固定された複数の反射面を有する反射手段とで形成される共振器と、
前記共振器内の光軸に配置されるレーザー媒質と、
前記レーザー媒質から光が発振して形成される前記光軸上の光路を、前記複数の反射面のいずれかを端部とする複数の光路に分岐させる分岐手段であって、前記光軸外の位置にあるときは、前記光軸と同一の直線上に並ぶ第一光路を形成し、前記光軸上の位置にあるときは、前記光軸の光を平行に移動させて分岐光路を形成する分岐手段と、
前記分岐手段を、前記光軸上の位置と前記光軸外の位置との間で移動させる移動手段と、
を有し、
前記分岐手段は周方向に一部が欠けている平行平板であり、
前記移動手段は前記平行平板の前記周方向に欠けている部分が前記光軸上を通過するように前記周方向に前記平行平板を回転制御し、
前記光路に対応する前記反射面に応じて出力する光の波長が定められる
ことを特徴とするレーザー装置。 - 前記移動手段は、前記平行平板を回転する回転軸を、前記光軸から離れた位置に有している
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザー装置。 - 前記平行平板の屈折により前記光軸上の光路を平行に移動させるように、前記平行平板は前記光軸に対して斜めに配置されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザー装置。 - 前記分岐手段は、当該分岐手段が前記光軸上の位置にあるときに形成される光路上に固定された平行平板をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザー装置。 - 前記反射手段は、前記複数の反射面ごとに、当該反射面に対応する波長の光を反射させる誘電体反射膜を備える
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のレーザー装置。 - 前記反射手段の反射面はそれぞれ、対応する波長に応じて熱レンズ効果を軽減するための曲率を付与されている
ことを特徴とする請求項5に記載のレーザー装置。 - 前記反射手段は、前記複数の光路ごとに配置された、当該分岐光路に対応する波長の光を反射させるプリズムである
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のレーザー装置。 - 前記反射手段は、前記複数の光路にそれぞれ対応する、角度の異なる反射面を備えるプリズムである
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のレーザー装置。 - 前記分岐手段と前記反射手段の間に、前記第一光路からの光が入射する第一の面、前記分岐光路からの光が入射する第二の面、ならびに、前記第一の面および前記第二の面から入射した光が出射する第三の面を含む光路変更用のプリズムをさらに有し、前記第三の面から出射した光はそれぞれ、前記反射手段の異なる反射面に入射する
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のレーザー装置。 - 前記反射手段のそれぞれの反射面からの漏れ光を検出する光検出器をさらに有し、光を検出した反射面に対応する波長に基づいて光照射を制御する
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載のレーザー装置。 - 前記分岐手段が光軸外の位置にあるかどうかを検出するフォトカプラーをさらに有し、検出した前記分岐手段の位置に応じて定められる波長に基づいて光照射を制御する
ことを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載のレーザー装置。 - 請求項1ないし11のいずれか1項に記載のレーザー装置と、
前記レーザー装置から被検体に光が照射されたときに発生する光音響波に基づいて被検体内の特性情報を生成する情報処理装置と、
を有することを特徴とする光音響装置。
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