JP6595702B2 - レーザ装置および光音響計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置に関し、さらに詳しくは、レーザ媒質から出射されたレーザ光を共振器で共振させてジャイアントパルスとしたパルスレーザ光を出射させるレーザ装置に関する。また、本発明は、そのようなレーザ装置を備えた光音響計測装置に関する。

生体内部の状態を非侵襲で検査できる画像検査法の一種として、超音波検査法が知られている。超音波検査では、超音波の送信および受信が可能な超音波探触子を用いる。超音波探触子から被検体（生体）に超音波を送信させると、その超音波は生体内部を進んでいき、組織界面で反射する。超音波探触子でその反射超音波を受信し、反射超音波が超音波探触子に戻ってくるまでの時間に基づいて距離を計算することで、内部の様子を画像化することができる。

また、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響イメージングが知られている。一般に光音響イメージングでは、レーザパルスなどのパルスレーザ光を生体内に照射する。生体内部では、生体組織がパルスレーザ光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーによる断熱膨張により超音波（光音響信号）が発生する。この光音響信号を超音波プローブなどで検出し、検出信号に基づいて光音響画像を構成することで、光音響信号に基づく生体内の可視化が可能である。

光音響波の計測には、強度が強いパルスレーザ光を照射する必要があることが多く、光源には、Ｑスイッチパルス発振を行いジャイアントパルスとしたパルスレーザ光を出射させる固体レーザ装置が用いられることが多い。レーザ装置は、レーザロッドと、レーザロッドを励起するためのフラッシュランプとを有する。また、レーザ装置は、Ｑスイッチパルス発振のためのＱスイッチを有する。たとえば特許文献１および特許文献２には、光音響計測に用いることができるレーザ装置が提案されている。

特開２００５−２６８４１５号公報 特開平０５−２９９７５２号公報

特許文献１では、Ｑスイッチとして用いられる電気光学素子に対する印加電圧が変化すると、電気光学素子の結晶に変形が生じて結晶の特性が時間的に変化し、パルスレーザ光の出力の低下などの悪影響が生じるため、この悪影響を抑制する方法が示されている。

また、特許文献２においても、電気光学素子の変形により生じる振動（特許文献２では音波と表現）に言及しており、このような振動は結果的にパルスレーザ光の出力の低下を招くとしており、電気光学素子の振動を抑制する方法が示されている。

このように、Ｑスイッチとして用いられる電気光学素子に対する印加電圧を変化させた際に生じる振動が、パルスレーザ光の出力の低下を引き起こすことが知られており、従来はＱスイッチの振動による悪影響を抑える対策が取られていた。

本発明は、従来の対策とは逆に、従来悪影響があると考えられていたＱスイッチの振動を積極的に利用し、パルスレーザ光の出力を向上させたレーザ装置およびこのレーザ装置を備えた光音響計測装置を提供することを目的とするものである。

本発明のレーザ装置は、励起光を出射する励起光源と、励起光源から出射された励起光の照射を受けてレーザ光を出射するレーザ媒質と、レーザ媒質を挟み込む一対のミラーを含み、一対のミラー間でレーザ光を共振させてパルスレーザ光を出射する共振器と、共振器の光路内に配置され、印加電圧に応じて共振器のＱ値を変化させるＱスイッチであって、第１の電圧が印加された場合の共振器のＱ値を、第１の電圧とは異なる第２の電圧が印加された場合の共振器のＱ値よりも低くするＱスイッチと、Ｑスイッチに第１の電圧および第２の電圧を印加してＱスイッチを駆動するＱスイッチ駆動部と、励起光源およびＱスイッチ駆動部を制御し、Ｑスイッチへの印加電圧が第１の電圧の場合にレーザ媒質に励起光を照射させ、励起光の照射後に、Ｑスイッチへの印加電圧を第１の電圧から第２の電圧に変化させることでパルスレーザ光を共振器から出射させる制御部とを備え、制御部は、第１の電圧の印加によってＱスイッチを振動させ、第１の電圧の印加から予め定められた時間が経過した後に励起光の照射を開始し、励起光の照射開始から予め設定された遅延時間が経過した時点においてＱスイッチに第２の電圧を印加し、遅延時間は、Ｑスイッチの振動が継続している期間内であり、かつＱスイッチに対する第２の電圧の印加時点を変化させた場合に、Ｑスイッチの振動に起因して周期的に変化するパルスレーザ光の強度が最大となる時間に設定されている。

また、上記本発明のレーザ装置において、Ｑスイッチ駆動部は、励起光の出射開始タイミングと同時にＱスイッチに対する第１の電圧の印加を開始することが好ましい。

また、上記本発明のレーザ装置において、第１の電圧は、第２の電圧よりも高い電圧であることが好ましい。

また、上記本発明のレーザ装置において、第１の電圧の立ち上がり時間は、２μｓ以下であることが好ましい。

また、上記本発明のレーザ装置において、第１の電圧の立ち上がり時間は、１μｓ以下であることが好ましい。

また、上記本発明のレーザ装置においては、遅延時間の変更を受け付ける遅延時間変更部を備えることができる。

また、上記本発明のレーザ装置においては、Ｑスイッチの振動に起因するパルスレーザ光の強度の周期的な変化が予め記憶された記憶部を備えることができる。

また、上記本発明のレーザ装置においては、記憶部に記憶されたパルスレーザ光の強度の周期的な変化を表示部に表示させる表示制御部を備えることができる。

また、上記本発明のレーザ装置においては、パルスレーザ光の強度の周期的な変化を検出する光検出部を備えることができる。

本発明の光音響計測装置は、上記本発明のレーザ装置と、レーザ装置から出射されたパルスレーザ光の被検体への照射によって被検体内に発生した光音響波を検出して光音響波信号を出力するプローブとを備える。

また、本発明の光音響計測装置においては、プローブから出力された光音響波信号に基づいて光音響画像を生成する音響画像生成部を備えることができる。

また、本発明の光音響計測装置において、プローブは、被検体に対して送信された音響波の反射波を検出して反射波信号を出力することができ、音響画像生成部は、反射波信号に基づいて反射音響画像を生成することができる。

本発明のレーザ装置および光音響計測装置によれば、第１の電圧の印加によってＱスイッチを振動させ、励起光の照射開始から予め設定された遅延時間が経過した時点においてＱスイッチに第２の電圧を印加してパルスレーザ光を出射させる。そして、この際、Ｑスイッチの振動が継続している期間内であり、かつＱスイッチに対する第２の電圧の印加時点を変化させた場合に、Ｑスイッチの振動に起因して周期的に変化するパルスレーザ光の強度が最大となる時間を上記遅延時間として設定する。これにより、Ｑスイッチを振動させない場合よりも高出力なパルスレーザ光を出射させることができる。

本発明のレーザ装置の第１の実施形態の概略構成を示す図 Ｑスイッチ駆動部の概略構成を示す模式図 制御部から出力される信号とＱスイッチ駆動部から出力される電圧との関係を示す図 第１の実施形態のレーザ装置の動作を説明するためのタイミングチャート Ｑスイッチを振動させない場合における遅延時間の長さとパルスレーザ光の強度との関係を示す図 Ｑスイッチを振動させた場合における遅延時間の長さとパルスレーザ光Ｌの強度との関係を示す図 第２の実施形態のレーザ装置の概略構成を示す図 本発明のレーザ装置の一実施形態を用いた光音響計測装置の概略構成を示す図

以下、本発明のレーザ装置の第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態のレーザ装置１の概略構成を示す図である。

本実施形態のレーザ装置１は、図１に示すように、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、レーザチャンバ５０、第１のミラー５３、第２のミラー５４、Ｑ値変更部５５、Ｑスイッチ駆動部５８、励起光源電源部５９および制御部６０を備えている。

フラッシュランプ５２は、励起光を出射するものである。フラッシュランプ５２は、励起光源電源部５９から出力された高圧電圧によって間欠的に駆動され、パルス状の励起光を出射するものである。なお、フラッシュランプ５２は、本発明の励起光源に相当するものである。励起光源としては、フラッシュランプ５２に限らず、その他の励起光源を用いるようにしてもよい。

レーザロッド５１は、棒状のレーザ媒質であり、フラッシュランプ５２から出射された励起光の照射を受けてレーザ光を出射するものである。レーザロッド５１としては、例えばアレキサンドライト結晶を用いることができるが、これに限らず、その他の公知なレーザ媒質を用いることができる。

レーザチャンバ５０は、レーザロッド５１およびフラッシュランプ５２が収容されるものである。レーザチャンバ５０の内側には反射面が設けられており、フラッシュランプ５２から出射した光は、レーザロッド５１に直接照射されるか、または反射面で反射してレーザロッド５１に照射される。レーザチャンバ５０の内側は拡散反射面としてもよい。

第１のミラー５３および第２のミラー５４は、レーザロッド５１の光軸上に沿って並べられている。また、第１のミラー５３および第２のミラー５４は、レーザロッド５１を挟んで互いに対向して配置されている。レーザロッド５１から出射されたレーザ光は、第１のミラー５３および第２のミラー５４によって反射され、第１のミラー５３と第２のミラー５４との間を往復する。すなわち、第１のミラー５３および第２のミラー５４によって共振器Ｃが構成されている。第１のミラー５３は、アウトプットカプラー（ＯＣ（output coupler））である。そして、Ｑ値変更部５５による共振器ＣのＱ値の制御によって、第１のミラー５３からパルスレーザ光Ｌが出射される。

なお、本実施形態においては、第１のミラー５３および第２のミラー５４をレーザロッド５１の光軸上に沿って並べ、共振器Ｃの光路を直線状に構成したが、これに限らず、第１のミラー５３と第２のミラー５４との間の光路上にプリズムなどを設け、光軸を曲げてもよい。

Ｑ値変更部５５は、共振器Ｃの光路内に挿入され、共振器のＱ値を変更するものである。本実施形態においては、Ｑ値変更部５５は、第１のミラー５３とレーザロッド５１との間に配置される。ただし、これに限らず、レーザロッド５１と第２のミラー５４との間にＱ値変更部５５を配置してもよい。Ｑ値変更部５５は、Ｑスイッチ５６と偏光子５７とを備えている。

Ｑスイッチ５６は、印加電圧に応じて通過する光の偏光状態を変化させることによって、共振器ＣのＱ値を変更するものである。Ｑスイッチ５６としては、印加電圧に応じて通過する光の偏光状態を変化させる電気光学素子を用いることができる。たとえばＱスイッチ５６として、ポッケルスセルを用いることができる。

Ｑスイッチ５６は、Ｑスイッチオフに対応した第１の電圧が印加された場合、共振器Ｃを低Ｑ状態にする。低Ｑ状態とは、共振器ＣのＱ値がレーザ発振しきい値よりも低い状態を指す。また、Ｑスイッチオフとは、上述したように共振器Ｃを低Ｑ状態にするＱスイッチ５６の状態のことをいう。本実施形態のＱスイッチ５６は、第１の電圧が印加された場合、１／４波長板として機能する。

また、Ｑスイッチ５６は、Ｑスイッチオンに対応した第２の電圧が印加された場合、共振器Ｃを高Ｑ状態にする。高Ｑ状態とは、共振器ＣのＱ値がレーザ発振しきい値よりも高い状態を指す。また、Ｑスイッチオンとは、上述したように共振器Ｃを高Ｑ状態にするＱスイッチ５６の状態のことをいう。本実施形態のＱスイッチ５６は、第２の電圧が印加された場合、透過する光の偏光状態を変化させない。

なお、第１の電圧と第２の電圧との関係は、第１の電圧の絶対値の方が、第２の電圧の絶対値よりも大きい。電圧は正の電圧であっても負の電圧であってもよい。第２の電圧は、たとえば０Ｖ（電圧印加なし）とすることができる。

偏光子５７は、レーザロッド５１とＱスイッチ５６との間に配置される。偏光子５７は、所定方向の直線偏光のみを透過させる。偏光子５７としては、たとえば所定方向の直線偏光を透過し、所定方向に直交する方向の直線偏光を反射するビームスプリッタを用いることができる。本実施形態においては、偏光子５７として、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射するビームスプリッタを用いる。なお、レーザロッド５１にアレキサンドライト結晶を用いた場合など、レーザロッド５１自身が偏光選択性を持つ場合には、偏光子５７は省略してもよい。

具体的には、Ｑスイッチ５６に第１の電圧が印加された場合、上述したようにＱスイッチ５６は１／４波長板として機能する。まず、レーザロッド５１から偏光子５７に入射したp偏光の光はこれを透過し、Ｑスイッチ５６を通過する際に円偏光となる。そして、Ｑスイッチ５６を通過した円偏光の光は、第１のミラー５３で反射された後、再びＱスイッチ５６に逆向きから入射される。Ｑスイッチ５６に逆向きに入射した円偏光の光は、Ｑスイッチ５６を通過する際に再び直線偏光となるが、９０°回転したｓ偏光として偏光子５７に入射し、共振器Ｃの光路外へ放出される。したがって、レーザロッド５１においてレーザ発振は起こらない。

一方、Ｑスイッチ５６に対する印加電圧が第２の電圧（０Ｖ）である場合、レーザロッド５１から偏光子５７に入射したｐ偏光の光は、偏光状態を変化させずにＱスイッチ５６を透過し、第１のミラー５３で反射する。第１のミラー５３で反射した光も偏光状態を変化させずにＱスイッチ５６を透過し、さらに偏光子５７を透過してレーザロッド５１に帰還する。このようにしてレーザ発振が起こる。

上述したように、Ｑスイッチ５６に対して第１の電圧が印加されている場合には、Ｑスイッチ５６を１／４波長板として機能させて、レーザロッド５１から出射されたレーザ光を共振器Ｃの光路外へ放出し、これにより共振器Ｃを低Ｑ状態とすることができる。一方、Ｑスイッチ５６に対して第２の電圧が印加されている場合には、Ｑスイッチ５６を１／４波長板として機能させず、入射したレーザ光をそのまま透過させることによって、共振器Ｃを高Ｑ状態とすることができる。

Ｑスイッチ駆動部５８は、Ｑスイッチ５６に対して、上述した第１の電圧および第２の電圧を印加してＱスイッチ５６を駆動するものである。図２は、Ｑスイッチ駆動部５８を模式的に表す図であり、Ｑスイッチ駆動部５８の概略構成を示す図である。Ｑスイッチ駆動部５８は、図２に示すように、高電圧源５８ａと、高電圧源５８ａに直列に接続された抵抗素子５８ｄおよび第１のスイッチ５８ｂと、高電圧源５８ａに並列に接続された容量素子５８ｅおよび第２のスイッチ５８ｃとを備えている。

Ｑスイッチ駆動部５８は、制御部６０から出力された信号に基づいて、Ｑスイッチ５６に対して電圧を印加する。図３は、制御部６０から出力される信号と、Ｑスイッチ駆動部５８から出力される電圧との関係を示す図である。制御部６０は、Ｑスイッチ駆動部５８に対して、Ｑｓｗ電圧印加信号とＱｓｗトリガ信号とを出力する。そして、制御部６０から出力されたＱｓｗ電圧印加信号のオン信号に応じて、Ｑスイッチ駆動部５８の第１のスイッチ５８ｂがオンし、これによりＱスイッチ５６に対して第１の電圧ＨＶが印加される。なお、このとき第２のスイッチ５８ｃはオフ状態である。

このように、高電圧源５８ａに直列接続された第１のスイッチ５８ｂをオンしてＱスイッチ５６に電圧印加する構成とすることによって、印加電圧の立ち上がりを急峻にすることができる。印加電圧の立ち上がり時間は、２μｓ以下とすることが好ましく、より好ましくは１．５μｓ以下、さらに好ましくは１μｓ以下である。なお、印加電圧の立ち上がり時間とは、印加電圧が、０Ｖから第１の電圧ＨＶに達するまでの時間のことである。

次いで、制御部６０から出力されたＱｓｗトリガ信号のオン信号に応じて、Ｑスイッチ駆動部５８の第２のスイッチ５８ｃがオンし、これによりＱスイッチ５６に対する印加電圧が第２の電圧（０Ｖ）となる。その後、Ｑｓｗ電圧印加信号のオフ信号に応じて第１のスイッチ５８ｂがオフし、Ｑｓｗトリガ信号のオフ信号に応じて第２のスイッチ５８ｃがオフする。

ここで、電気光学素子であるＱスイッチ５６に対して急峻な立ち上がりの電圧を印加した場合、Ｑスイッチ５６を構成する結晶の変形に起因してＱスイッチ５６が振動する。本実施形態のレーザ装置１は、このＱスイッチ５６の振動を利用し、高出力なパルスレーザ光Ｌを得るように構成したものである。なお、Ｑスイッチ５６の振動を利用して高出力なパルスレーザ光Ｌを得る方法は、後で詳述する。

励起光源電源部５９は、制御部６０から出力されたＦＬトリガ信号に応じて、フラッシュランプ５２に高圧電圧を印加するものである。

制御部６０は、上述したようにＱスイッチ駆動部５８に対してＱｓｗ電圧印加信号およびＱｓｗトリガ信号を出力し、これによりＱスイッチ駆動部５８から出力される印加電圧を制御する。また、制御部６０は、励起光源電源部５９に対してＦＬトリガ信号を出力し、これにより励起光源電源部５９から出力される高圧電圧を制御する。制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを備えたものである。

次に、本実施形態のレーザ装置１の動作について、図４を参照しながら説明する。図４Ｉは、ＦＬトリガ信号の出力タイミングを示し、図４IIは、高圧電圧の印加によってフラッシュランプ５２に流れる電流の時間変化を示し、図４IIIは、Ｑスイッチ５６への印加電圧の時間変化を示し、図４IVは、レーザロッド５１の反転分布状態の時間変化を示し、図４Ｖは、パルスレーザ光Ｌの出射タイミングを示している。

本実施形態のレーザ装置１においては、まず、フラッシュランプ５２から励起光が出射される前の時刻ｔ１において、Ｑスイッチ駆動部５８によってＱスイッチ５６に第１の電圧ＨＶが印加される。このとき第１の電圧ＨＶは、上述したように急峻な立ち上げ時間でＱスイッチ５６に印加され、この電圧印加によってＱスイッチ５６が振動を開始する。

そして、Ｑスイッチ５６に第１の電圧ＨＶが印加された後、時刻ｔ２において、制御部６０から出力されたＦＬトリガ信号に応じて、励起光源電源部５９によってフラッシュランプ５２に高圧電圧が印加され、フラッシュランプ５２から励起光が出射される。

フラッシュランプ５２から出射された励起光はレーザロッド５１に照射され、これによりレーザロッド５１からレーザ光が出射される。レーザロッド５１から出射されたレーザ光は、第１のミラー５３と第２のミラー５４との間を往復するが、このときＱスイッチ５６は第１の電圧ＨＶの印加によって１／４波長板として機能し、共振器Ｃは低Ｑ状態であるのでパルスレーザ光Ｌは発振されず、レーザロッド５１の反転分布が時間の経過によって増加する。

そして、励起光の照射開始時点である時刻ｔ２から予め設定された遅延時間Ｔが経過した時刻ｔ３において、Ｑスイッチ５６に対して第２の電圧（０Ｖ）が印加され、Ｑスイッチ５６がオンされる。これにより共振器Ｃは高Ｑ状態に変化し、共振器Ｃの第１のミラー５３からパルスレーザ光Ｌが出射される。

ここで、上述した遅延時間Ｔを変化させた場合、たとえば本実施形態のようにＱスイッチ５６を振動させない場合には、遅延時間Ｔの長さと共振器Ｃから出射されるパルスレーザ光Ｌの強度との関係は、図５に示すような関係となる。したがって、Ｑスイッチ５６を振動させない場合には、図５に示すパルスレーザ光Ｌの強度が最大となる時間に遅延時間Ｔを設定すれば最も高い出力のパルスレーザ光Ｌを出射させることができる。

これに対し、本実施形態においては、上述したようにＱスイッチ５６に対して急峻な多立ち上げ時間の電圧を印加することによってＱスイッチ５６を振動させる。そして、発明者らの研究によって、このＱスイッチ５６の振動に起因してパルスレーザ光Ｌの強度も周期的に変化することが分かった。図６は、Ｑスイッチ５６を振動させた場合における遅延時間Ｔの長さと共振器Ｃから出射されるパルスレーザ光Ｌの強度との関係を示した図である。図６に示す点線は、Ｑスイッチ５６を振動させなかった場合のパルスレーザ光Ｌの強度変化を示している。図６に示すように、パルスレーザ光Ｌの強度の周期的な変化によって、Ｑスイッチ５６を振動させない場合よりもパルスレーザ光Ｌの強度の最大値を大きくすることができる。

したがって、本実施形態においては、Ｑスイッチ５６の振動が継続している期間内であって、かつＱスイッチ５６の振動に起因して周期的に変化するパルスレーザ光Ｌの強度が最大となる時間を遅延時間Ｔとして設定する。このように遅延時間Ｔを設定することによって、Ｑスイッチ５６を振動させなかった場合のパルスレーザ光Ｌよりも高出力なパルスレーザ光Ｌを得ることができる。

本実施形態における遅延時間Ｔの設定方法としては、たとえば設定者が、遅延時間Ｔの設定を変更しながらパルスレーザ光Ｌの強度を光検出器などを用いて計測し、図６に示すような遅延時間とパルスレーザ光Ｌの強度との関係を取得する。そして、その取得した関係を用いて、周期的に変化するパルスレーザ光Ｌの強度が最大となる遅延時間Ｔを決定し、その遅延時間Ｔを最終的な遅延時間Ｔとして決定して、制御部６０に設定するようにすればよい。なお、上述したように遅延時間Ｔを変更しながらパルスレーザ光Ｌの強度を計測する際、その時間変更の精度は、少なくともパルスレーザ光Ｌの強度変化の周期の２分の１以下であることが望ましい。

また、上記第１の実施形態では、図４Ｉおよび図４IIIに示すように、フラッシュランプ５２から励起光が出射される前の時刻ｔ１において、Ｑスイッチ５６に第１の電圧ＨＶを印加するようにしたが、Ｑスイッチ５６に対する第１の電圧ＨＶの印加タイミングは、励起光の出射開始タイミングと同時であることが好ましい。

第１の電圧ＨＶの印加によるＱスイッチ５６の振動は減衰振動となる。したがって、第１の電圧ＨＶの印加タイミングが励起光の出射開始タイミングよりも早過ぎた場合、第２の電圧の印加の時点において振動が減衰してしまい、パルスレーザ光の出力が低くなってしまう。一方、第１の電圧ＨＶの印加タイミングが励起光の出射開始タイミングより遅すぎた場合、その分、励起光の照射による反転分布の蓄積を阻止することになる。

したがって、上述したように、Ｑスイッチ５６に対する第１の電圧ＨＶの印加タイミングは、励起光の出射開始タイミングと同時であることが好ましい。なお、ここいう励起光の出射開始タイミングと同時とは、励起光の出射開始タイミングから±２０μｓの範囲を含むものとする。

なお、上記第１の実施形態のように、励起光の出射開始タイミングよりも前のタイミングでＱスイッチ５６に対して第１の電圧ＨＶの印加する場合、第１の電圧ＨＶの印加タイミングが早すぎた場合には、レーザロッド５１の反転分布が十分に蓄積される前にＱスイッチ５６の振動が減衰してしまう。したがって、第１の電圧ＨＶの印加タイミングとしては、レーザロッド５１の反転分布が十分に蓄積された時点においてＱスイッチ５６が十分な振幅で振動しているタイミングとすることが好ましい。

次に、本発明のレーザ装置の第２の実施形態について説明する。図７は、第２の実施形態のレーザ装置２の概略構成を示す図である。第２の実施形態のレーザ装置２は、第１の実施形態のレーザ装置１において設定された遅延時間Ｔをさらに変更可能に構成したものである。このように遅延時間Ｔをさらに変更可能にすることによって、たとえば環境の影響または経年劣化などに起因して、パルスレーザ光Ｌの強度が最大となる遅延時間Ｔがずれた場合でも、設定者が遅延時間Ｔを調整し直すことができる。

第２の実施形態のレーザ装置２は、具体的には、記憶部６１と、入力部６２と、表示部６３と、光検出部７０とをさらに備えている。その他の構成については、第１の実施形態のレーザ装置１と同様である。

入力部６２は、設定者による遅延時間Ｔの変更を受け付けるものである。なお、本実施形態においては、入力部６２が、本発明の遅延時間変更部に相当するものである。

記憶部６１は、メモリなどから構成されるものであり、上述したＱスイッチ５６の振動に起因するパルスレーザ光Ｌの強度の周期的な変化が予め記憶されたものである。すなわち、記憶部６１には、図６に示すような遅延時間とパルスレーザ光Ｌの強度との関係（以下、パルスレーザ光Ｌの周期特性という）が予め記憶されている。

制御部６０は、入力部６２における指示入力に応じて、記憶部６１に記憶されたパルスレーザ光Ｌの周期特性を読み出し、表示部６３に表示させるものである。なお、本実施形態においては、制御部６０が、本発明の表示制御部に相当するものである。

表示部６３は、上述したようにパルスレーザ光Ｌに周期特性を表示するものであり、たとえば入力部６２も兼ねて液晶タッチパネルから構成されるものである。

光検出部７０は、共振器Ｃから出射されたパルスレーザ光Ｌの強度を検出するものである。光検出部７０は、具体的には、フォトダイオードなどの光検出素子を備えたものである。

光検出部７０によって検出されたパルスレーザ光Ｌの強度は、制御部６０に出力される。制御部６０は、入力されたパルスレーザ光Ｌの強度と、そのパルスレーザ光Ｌを得る際に用いた遅延時間Ｔとを対応づけて記憶部６１に記憶させる。制御部６０は、遅延時間Ｔを変更しながら、その遅延時間Ｔと光検出部７０によって検出されたパルスレーザ光Ｌの強度とを順次対応づけて記憶部６１に記憶させることによって、上述したパルスレーザ光Ｌの周期特性を記憶部６１に記憶させる。なお、光検出部７０は、実際にレーザ装置２を使用する場合には、パルスレーザ光Ｌの光路から退避される。

第２の実施形態のレーザ装置２においては、たとえば遅延時間Ｔのキャリブレーションを行う場合に、設定者が、入力部６２を用いてキャリブレーションの指示入力を行う。

入力部６２においてキャリブレーションの指示入力を受け付けられた場合には、制御部６０は、遅延時間Ｔを変更しながら、その遅延時間Ｔに対応するパルスレーザ光Ｌの強度を順次取得して記憶部６１に記憶し、これによりパルスレーザ光Ｌの周期特性を記憶する。

次いで、制御部６０は、記憶部６１に記憶されたパルスレーザ光Ｌの周期特性を読み出し、これを表示部６３に表示させる。また、制御部６０は、現在設定されている遅延時間Ｔを示す指標を表示部６３に表示させる。

設定者は、表示部６３に表示されたパルスレーザ光Ｌの周期特性と現在設定されている遅延時間Ｔとの関係を確認し、入力部６２を用いて現在設定されている遅延時間Ｔを変更する。具体的には、設定者は、遅延時間Ｔが、パルスレーザ光Ｌの周期特性の最大値の遅延時間となるように設定を変更する。なお、この際の時間変更の精度も、少なくともパルスレーザ光Ｌの強度変化の周期の２分の１以下であることが望ましい。

なお、上記第２の実施形態においては、パルスレーザ光Ｌの周期特性を自動的に取得するようにしたが、これに限らず、設定者が、手動で遅延時間を変更しながらパルスレーザ光Ｌの強度を計測し、遅延時間とパルスレーザ光Ｌの強度との関係を記憶部６１に記憶させるようにしてもよい。

次に、本発明のレーザ装置の一実施形態を用いた光音響計測装置を説明する。図８は、光音響計測装置の概略構成を示す図である。

光音響計測装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１と、超音波ユニット１２と、レーザ光源ユニット１３とを備える。なお、本実施形態では、音響波として超音波を用いるが、超音波に限定されるものでは無く、被検対象や測定条件等に応じて適切な周波数を選択してさえいれば、可聴周波数の音響波を用いても良い。

レーザ光源ユニット１３は、上記第１または第２の実施形態のレーザ装置を備えたものである。レーザ光源ユニット１３から出射されたパルスレーザ光Ｌは、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に向けて照射される。パルスレーザ光Ｌの照射位置は特に限定されず、プローブ１１以外の場所からパルスレーザ光Ｌの照射を行ってもよい。

被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光Ｌのエネルギーを吸収することで超音波（音響波）が生じる。プローブ１１は、例えば一次元的に配列された複数の超音波振動子を有している。プローブ１１は、一次元配列された複数の超音波振動子により、被検体内からの音響波（光音響波）を検出して光音響波信号を出力する。また、プローブ１１は、被検体に対して音響波（超音波）を送信し、その送信した超音波に対する被検体からの反射音響波（反射超音波）を検出して反射波信号を出力する。プローブ１１は、リニアプローブに限定されず、コンベクスプローブまたはセクタープローブでもよい。

超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換部（Analog to Digital convertor）２２、受信メモリ２３、データ分離部２４、光音響画像生成部２５、超音波画像生成部２６、画像合成部２７、制御部２８、および送信制御回路２９を有する。超音波ユニット１２は、典型的にはプロセッサ、メモリ、およびバスなどを有する。超音波ユニット１２には、光音響画像生成および超音波画像生成に関するプログラムがメモリに組み込まれている。プロセッサによって構成される制御部２８によってそのプログラムが動作することで、データ分離部２４、光音響画像生成部２５、超音波画像生成部２６および画像合成部２７の機能が実現する。すなわち、これらの各部は、プログラムが組み込まれたメモリとプロセッサにより構成されている。

なお、超音波ユニット１２のハードウェアの構成は特に限定されるものではなく、複数のＩＣ（Integrated Circuit）、プロセッサ、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、メモリなどを適宜組み合わせることによって実現することができる。

受信回路２１は、プローブ１１から出力された光音響波信号を受信する。また、プローブ１１から出力された反射波信号を受信する。受信回路２１は、典型的には、低ノイズアンプ、可変ゲインアンプ、およびローパスフィルタを含む。プローブ１１から出力された光音響波信号および反射波信号は、低ノイズアンプで増幅された後に、可変ゲインアンプで深度に応じたゲイン調整がなされ、ローパスフィルタで高周波成分がカットされる。

ＡＤ変換部２２は、受信回路２１が受信した光音響波信号および反射波信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部２２は、例えば所定の周期のサンプリングクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で光音響波信号および反射波信号をサンプリングする。ＡＤ変換部２２は、サンプリングした光音響波信号および反射波信号（サンプリングデータ）を受信メモリ２３に格納する。受信回路２１とＡＤ変換部２２とは、例えば１つのＩＣとして構成されていてもよし、個別のＩＣとして構成されていてもよい。

データ分離部２４は、受信メモリ２３に格納された光音響波信号のサンプリングデータと反射波信号のサンプリングデータとを分離する。データ分離部２４は、光音響波信号のサンプリングデータを光音響画像生成部２５に入力する。また、分離した反射波信号のサンプリングデータを、超音波画像生成部２６に入力する。なお、本実施形態においては、光音響画像生成部２５および超音波画像生成部２６が、本発明の音響波画像生成部に相当するものである。

光音響画像生成部２５は、プローブ１１から出力された光音響波信号に基づいて光音響画像を生成する。光音響画像の生成は、例えば、位相整合加算などの画像再構成や、検波、対数変換などを含む。超音波画像生成部２６は、プローブ１１から出力された反射波信号に基づいて超音波画像（反射音響波画像）を生成する。超音波画像の生成も、位相整合加算などの画像再構成や、検波、対数変換などを含む。

画像合成部２７は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成部２７は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。合成された画像は、ディスプレイなどの画像表示部１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示部１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示してもよいし、または光音響画像と超音波画像とを切り替えて表示してもよい。

制御部２８は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御部２８は、たとえばレーザ光源ユニット１３にトリガ信号を送る。レーザ光源ユニット１３の制御部６０（図１）は、トリガ信号を受け取ると、フラッシュランプ５２を点灯し、その後、Ｑスイッチ５６への印加電圧を第１の電圧から第２の電圧に切り替えてパルスレーザ光Ｌを出射させる。制御部２８は、パルスレーザ光Ｌの照射に合わせて、ＡＤ変換部２２にサンプリングトリガ信号を送り、光音響波信号のサンプリング開始タイミングを制御する。

制御部２８は、超音波画像を生成する場合には、送信制御回路２９に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路２９は、超音波送信トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。また、制御部２８は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換部２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射波信号のサンプリングを開始させる。

なお、上記実施形態では、光音響計測装置１０においてプローブ１１が光音響波と反射超音波の双方を検出するものとして説明したが、超音波画像の生成に用いるプローブと光音響画像の生成に用いるプローブとは、必ずしも同一である必要はない。光音響波と反射超音波とを、それぞれ別個のプローブで検出するようにしてもよい。また、上記実施形態では、レーザ装置が光音響計測装置の一部を構成する例について説明したが、これには限定されない。本発明のレーザ装置を、光音響計測装置とは異なる装置に用いることも可能である。

１、２ レーザ装置
１０ 光音響計測装置
１１ プローブ
１２ 超音波ユニット
１３ レーザ光源ユニット
１４ 画像表示部
２１ 受信回路
２２ ＡＤ変換部
２３ 受信メモリ
２４ データ分離部
２５ 光音響画像生成部
２６ 超音波画像生成部
２７ 画像合成部
２８ 制御部
２９ 送信制御回路
５０ レーザチャンバ
５１ レーザロッド
５２ フラッシュランプ
５３ 第１のミラー
５４ 第２のミラー
５５ Ｑ値変更部
５６ Ｑスイッチ
５７ 偏光子
５８ Ｑスイッチ駆動部
５８ａ 高電圧源
５８ｂ 第１のスイッチ
５８ｃ 第２のスイッチ
５８ｄ 抵抗素子
５８ｅ 容量素子
５９ 励起光源電源部
６０ 制御部
６１ 記憶部
６２ 入力部
６３ 表示部
７０ 光検出器
７０ 光検出部
Ｌ パルスレーザ光
Ｔ 遅延時間

Claims (12)

1. 励起光を出射する励起光源と、
   前記励起光源から出射された前記励起光の照射を受けてレーザ光を出射するレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質を挟み込む一対のミラーを含み、前記一対のミラー間で前記レーザ光を共振させてパルスレーザ光を出射する共振器と、
   前記共振器の光路内に配置され、印加電圧に応じて前記共振器のＱ値を変化させるＱスイッチであって、第１の電圧が印加された場合の前記共振器のＱ値を、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が印加された場合の前記共振器のＱ値よりも低くするＱスイッチと、
   前記Ｑスイッチに前記第１の電圧および前記第２の電圧を印加して前記Ｑスイッチを駆動するＱスイッチ駆動部と、
   前記励起光源および前記Ｑスイッチ駆動部を制御し、前記Ｑスイッチへの印加電圧が前記第１の電圧の場合に前記レーザ媒質に前記励起光を照射させ、前記励起光の照射後に、前記Ｑスイッチへの印加電圧を前記第１の電圧から前記第２の電圧に変化させることで前記パルスレーザ光を前記共振器から出射させる制御部とを備え、
   前記制御部は、前記第１の電圧の印加によって前記Ｑスイッチを振動させ、前記第１の電圧の印加から予め定められた時間が経過した後に前記励起光の照射を開始し、前記励起光の照射開始から予め設定された遅延時間が経過した時点において前記Ｑスイッチに前記第２の電圧を印加し、
   前記遅延時間は、前記Ｑスイッチの振動が継続している期間内であり、かつ前記Ｑスイッチに対する前記第２の電圧の印加時点を変化させた場合に、前記Ｑスイッチの振動に起因して周期的に変化する前記パルスレーザ光の強度が最大となる時間に設定されているレーザ装置。
2. 前記制御部は、前記励起光の出射開始タイミングと同時に前記Ｑスイッチに対する前記第１の電圧の印加を開始する請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記第１の電圧は、前記第２の電圧よりも高い電圧である請求項１または２記載のレーザ装置。
4. 前記第１の電圧の立ち上がり時間は、２μｓ以下である請求項１から３いずれか1項記載のレーザ装置。
5. 前記第１の電圧の立ち上がり時間は、１μｓ以下である請求項４記載のレーザ装置。
6. 前記遅延時間の変更を受け付ける遅延時間変更部を備えた請求項１から５いずれか１項記載のレーザ装置。
7. 前記Ｑスイッチの振動に起因する前記パルスレーザ光の強度の周期的な変化が予め記憶された記憶部を備えた請求項１から６いずれか１項記載のレーザ装置。
8. 前記記憶部に記憶された前記パルスレーザ光の強度の周期的な変化を表示部に表示させる表示制御部を備えた請求項７記載のレーザ装置。
9. 前記パルスレーザ光の強度の周期的な変化を検出する光検出部を備えた請求項１から８いずれか１項記載のレーザ装置。
10. 請求項１から９いずれか１項記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置から出射されたパルスレーザ光の被検体への照射によって前記被検体内に発生した光音響波を検出して光音響波信号を出力するプローブとを備える光音響計測装置。
11. 前記プローブから出力された光音響波信号に基づいて光音響画像を生成する音響画像生成部を備えた請求項１０記載の光音響計測装置。
12. 前記プローブは、前記被検体に対して送信された音響波の反射波を検出して反射波信号を出力し、
    前記音響画像生成部は、前記反射波信号に基づいて反射音響画像を生成する請求項１１記載の光音響計測装置。
    

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