JP6595703B2 - レーザ装置および光音響計測装置 - Google Patents

レーザ装置および光音響計測装置 Download PDF

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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、超音波の送信及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（レーザ媒質）と、レーザロッドを励起するためのフラッシュランプ（励起光源）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。光音響計測に用いることができるレーザ装置が、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。
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、記共振器の光路上に配置され、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スイッチに対して第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スイッチに対して第１の電圧を印加させた状態で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出射させる制御部とを備え、制御部は、通常動作時において、第１の電圧の電圧印加によってＱスイッチを振動させ、励起光の出射開始から予め設定された遅延時間が経過したタイミングでＱスイッチに対して第２の電圧を印加させ、通常動作時における第１の電圧の印加開始タイミングは、予め設定された第１の電圧の印加開始タイミングを、励起光の出射開始の時点に対して予め設定された時間幅で変化させた場合に、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タイミングに設定されているものである。
本発明のレーザ装置において、予め設定された第１の電圧の印加開始タイミングは、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。
また、遅延時間は、通常動作時とは異なる校正動作時に、第１の電圧の電圧印加によってＱスイッチを振動させ、Ｑスイッチの振動の影響が無くなった後に励起光の出射を開始してから、Ｑスイッチに第２の電圧を印加するまでの時間を変化させた場合に、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ことが好ましい。
また、予め設定された時間幅は、第１の電圧の印加開始タイミングを変化させた場合のパルスレーザ光の強度変化の周期と同じ時間であることが好ましい。
また、第１の電圧は、第２の電圧よりも高い電圧であるとしてもよい。
また、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く、１μｓ以下とすればより好ましい。
また、第１の電圧の印加開始タイミングを変化させた場合の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の特性を示す特性情報を記憶させる記憶部を備えたものとしてもよい。
記憶部に記憶された特性情報を表示部に表示させる表示制御部を備えたものとしてもよい。
また、パルスレーザ光の強度の周期的な変化を検出する検出部を備えたものとしてもよい。
また、通常動作時における第１の電圧の印加開始タイミングの変更を受け付けるタイミング変更部を備えたものとしてもよい。
本発明の光音響計測装置は、上記本発明のレーザ装置と、レーザ装置からのレーザ光の出射により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ものである。
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たものとしてもよい。
また、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し、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ものとしてもよい。
本発明のレーザ装置及び光音響計測装置は、通常動作時において、第１の電圧の電圧印加によってＱスイッチを振動させ、励起光の出射開始から予め設定された遅延時間が経過したタイミングでＱスイッチに対して第２の電圧を印加させ、通常動作時における第１の電圧の印加開始タイミングについて、予め設定された第１の電圧の印加開始タイミングを予め設定された時間幅で変化させた場合に、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タイミングに設定することで、Ｑスイッチにおいて振動が生じない場合よりもパルスレーザ光の出力を高くすることができる。
本発明の第１の実施形態のレーザ装置を示すブロック図 図１に示すレーザ装置のＱスイッチドライバの模式図 図２に示すＱスイッチドライバの各部の動作波形を示すタイミングチャート 図１に示すレーザ装置のタイミング調整前の各部の動作波形を示すタイミングチャート 図１に示すレーザ装置におけるタイミング調整前のＱスイッチオンタイミングとパルスレーザ光強度との関係を示すグラフ 図１に示すレーザ装置のタイミング調整後の各部の動作波形を示すタイミングチャート 図１に示すレーザ装置におけるタイミング調整後のＱスイッチオンタイミングとパルスレーザ光強度との関係を示すグラフ 本発明の第２の実施形態のレーザ装置を示すブロック図 本発明の一実施形態のレーザ装置を含む光音響計測装置を示すブロック図
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態のレーザ装置を示すブロック図である。
図１に示すように、第１の実施形態のレーザ装置１は、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、出力ミラー５４、リアミラー５５、Ｑ値変更部５６から構成されるパルスレーザ光出射部５０と、フラッシュランプ電源５９と、Ｑスイッチドライバ６０と、制御部６１とを備える。
レーザロッド５１は、レーザ媒質である。レーザロッド５１には、例えばアレキサンドライト結晶が用いられる。レーザロッド５１から出射する光は所定の偏光軸を持つ。フラッシュランプ５２は、励起光源であり、レーザロッド５１に励起光を照射する。なお、フラッシュランプ５２以外の光源を、励起光源として用いてもよい。レーザロッド５１およびフラッシュランプ５２は、図１に示すように励起チャンバ５３内に収容してもよく、このような構成とすることで、フラッシュランプ５２から照射された励起光によりレーザロッド５１を効率的に励起させることができる。
出力ミラー５４およびリアミラー５５は、レーザロッド５１を挟んで対向しており、出力ミラー５４およびリアミラー５５により共振器が構成される。共振器内の光路は必ずしも直線状である必要はなく、出力ミラー５４とリアミラー５５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。出力ミラー５４はアウトプットカプラー（ＯＣ：output coupler）であり、出力ミラー５４からレーザ光が出射する。
Ｑ値変更部５６は、出力ミラー５４およびリアミラー５５により構成される共振器の光路上に配置され、共振器のＱ値を制御する。Ｑ値変更部５６は、例えば出力ミラー５４とレーザロッド５１との間に配置される。これに代えて、リアミラー５５とレーザロッド５１との間にＱ値変更部５６を配置してもよい。Ｑ値変更部５６は、Ｑスイッチ５７と偏光子５８とを含む。Ｑスイッチ５７は、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５７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ものであり、例えば電気光学素子を用いることができる。
Ｑスイッチ５７には例えばポッケルスセルが用いられる。Ｑスイッチ５７は、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき共振器を低Ｑ状態にする。低Ｑ状態とは、共振器のＱ値がレーザ発振しきい値よりも低い状態を指す。第１の電圧は、例えば第１のＱスイッチ５７が１／４波長板として機能する電圧である。Ｑスイッチ５７は、印加電圧がＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき、共振器を高Ｑ状態にする。高Ｑ状態とは、共振器のＱ値がレーザ発振しきい値よりも高い状態を指す。第２の電圧の絶対値は、第１の電圧の絶対値よりも小さく、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、例えば０Ｖ（電圧印加なし）であり、このときＱスイッチ５７を透過する光の偏光状態は変化しない。
偏光子５８は、レーザロッド５１とＱスイッチ５７との間に配置される。偏光子５８は、所定方向の直線偏光のみを透過させる。偏光子５８には、例えば、所定方向の直線偏光（例えばｐ偏光）を透過し、この所定方向に直交する方向（例えばｓ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。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、偏光子５９は省略してもよい。
Ｑ値変更部５６の動作について、具体的には、Ｑスイッチ５７に第１の電圧が印加されたとき、Ｑスイッチ５７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５８に入射したp偏光の光はこれを透過し、Ｑスイッチ５７を通過する際に円偏光となる。続いて、光は、出力ミラー５４で反射してＱスイッチ５７に逆向きに入射する。Ｑスイッチ５７に逆向きに入射した円偏光の光は、Ｑスイッチ５７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５８に入射し、共振器の光路外へ放出される。一方、Ｑスイッチ５７に第２の電圧が印加されたとき、偏光子５８に入射したｐ偏光の光はこれを透過し、さらに偏光状態を変化させずにＱスイッチ５７を透過する。その後、出力ミラー５４で反射され、戻ってきた光も偏光状態を変化させずにＱスイッチ５７を透過し、ｐ偏光を透過する偏光子５８を透過してレーザロッド５１に帰還する。充分に反転分布が蓄積されている状態で第２の電圧を印加することでレーザ発振が起こる。
Ｑスイッチドライバ６０は、Ｑスイッチ５７へ電圧を印加し、Ｑスイッチ５７を駆動する。ここで、本実施形態のレーザ装置１のＱスイッチドライバ６０について、図面を参照して詳細に説明する。図２は本実施形態のレーザ装置のＱスイッチドライバの模式図、図３はこのＱスイッチドライバの各部の動作波形を示すタイミングチャートである。
ここでは、第１の電圧を所定の高圧（ＨＶ）とし、第２の電圧を０Ｖとする例を示す。図２に示すように、Ｑスイッチドライバ６０は、Ｑスイッチ５７へ電圧を印加するための高圧電源７０、高圧電源７０に直列に接続された抵抗７１、高圧電源７０に並列に接続されたコンデンサ７２、高圧電源７０に直列に接続された第１のスイッチ（ＳＷ−Ａ）７３、高圧電源７０に並列に接続された第２のスイッチ（ＳＷ−Ｂ）７４を備える。図３に示すように、第１のスイッチ（ＳＷ−Ａ）７３のみをオンにすることでＱスイッチ５７に対して第１の電圧（ＨＶ）が印加される。この状態で、第２のスイッチ（ＳＷ−Ｂ）７４をオンにすることでＱスイッチ５７に対する電圧印加が停止される。
詳細は後述するが、本実施形態のレーザ装置１においては、Ｑスイッチ５７に対して第１の電圧を印加した際に、Ｑスイッチ５７においてなるべく大きな振動を発生させることが好ましい。Ｑスイッチ５７においてなるべく大きな振動を発生させるためには、第１の電圧の立ち上がり時間はなるべく急峻である必要がある。そのため、上記のような構成とすることで、第１の電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間の両方ともに急峻な特性とすることができる。特に、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く、１．５μｓ以下とすればより好ましく、１μｓ以下とすればさらにより好ましい。
制御部６１は、フラッシュランプ電源５９およびＱスイッチドライバ６０を制御し、Ｑスイッチ５７に対して第１の電圧を印加させた状態でレーザロッド５１に励起光を照射させ、励起光の照射後に、Ｑスイッチ５７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（ジャイアントパルス）Ｌを出射させる。なお、制御部６１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。
次に、本実施形態のレーザ装置１の動作について、図面を参照して詳細に説明する。図４は本実施形態のレーザ装置１のタイミング調整前の各部の動作波形を示すタイミングチャート、図５はこのレーザ装置１におけるタイミング調整前のＱスイッチオンタイミングとパルスレーザ光強度との関係を示すグラフである。また、図６はこのレーザ装置１のタイミング調整後の各部の動作波形を示すタイミングチャート、図７はこのレーザ装置１におけるタイミング調整後のＱスイッチオンタイミングとパルスレーザ光強度との関係を示すグラフである。
図４Ｉに示すように、フラッシュランプ５２を点灯させるためのトリガ信号がオンになると、図４IIに示すように、制御部６１はフラッシュランプ電源５９を駆動させる。また、図４IIIに示すように、制御部６１は、フラッシュランプ５２を点灯させるためのトリガ信号がオンとなるタイミングを基準として、Ｑスイッチ５７に対してＱスイッチオフに対応した第１の電圧を印加させるようにＱスイッチドライバ６０を制御する。図４IVに示すように、フラッシュランプ５２が点灯するとレーザロッド５１内の反転分布量が増大する。パルスレーザ光（ジャイアントパルス）の発生に必要な反転分布量を超えたところで、制御部６１はＱスイッチ５７に対してＱスイッチオンに対応した第２の電圧を印加させるようにＱスイッチドライバ６０を制御する。なお、本実施形態では第２の電圧は０Ｖとしているため、第２の電圧を印加させることと、電圧印加を停止させることは同義である。図４Ｖに示すように、Ｑスイッチオンとなると、レーザロッド５１から出射したレーザ光が共振器内で共振し、パルスレーザ光出射部５０からパルスレーザ光Ｌが出射される。
ここで、トリガ信号をオンにしてからＱスイッチオンにするまでの遅延時間（図４〜７ではＱｓｗ Ｄｅｌａｙと表記）を変化させた場合のパルスレーザ光強度は、理論上は図５Ｉのように山形の特性を示す。しかしながら、実際にはＱスイッチ５７に対してＱスイッチオフに対応した第１の電圧を印加させた際にＱスイッチ５７で発生する振動に起因して、図５IIのように図５Ｉの山形の特性を中心として周期的にパルスレーザ光強度が変動してしまう。
そのため、本実施形態においては、図６IIIに示すように、まず、トリガ信号をオンにしてからＱスイッチオンにするまでの遅延時間を予め設定された時間に固定し、図６IVに示すように、第１の電圧の印加開始タイミングについて、予め設定された第１の電圧の印加開始タイミングを予め設定された時間幅で変化させた場合に、Ｑスイッチ５７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タイミングに設定する。
具体的には、図７Ｉに示すように、ある遅延時間に固定し、図６IVに示すように、第１の電圧の印加開始タイミングを徐々に変化させると、図７IIに示すように、固定した遅延時間におけるパルスレーザ光の強度が周期的に変化する。
ここで、図７IIに示すように、固定した遅延時間にパルスレーザ光の強度変化の周期のピーク位置が一致する、すなわちパルスレーザ光の強度が最大となるタイミングに第１の電圧の印加開始タイミングを設定することで、Ｑスイッチ５７において生じる振動を利用し、Ｑスイッチ５７において振動が生じない場合よりもパルスレーザ光の出力を高くすることができる。
上記の通り、本実施形態のレーザ装置１は、Ｑスイッチ５７において生じる振動を利用して、Ｑスイッチ５７において振動が生じない場合よりもパルスレーザ光の出力を高くするものであり、Ｑスイッチ５７において生じる振動が大きいほど、パルスレーザ光の出力をより増強させることができる。
Ｑスイッチ５７において生じる振動は、時間の経過とともに減衰するため、第１の電圧印加タイミング（Ｑスイッチオフ）からＱスイッチオンまでの時間はなるべく短い方が好ましい。一方で、励起光の出射開始タイミングよりも後にＱスイッチオフに対応した第１の電圧を印加させた場合、励起光の出射開始タイミングから第１の電圧の印加開始タイミングまでの間はレーザロッド５１内に反転分布が蓄積されないためこの間の電力消費および時間が無駄になってしまう。そのため、予め設定された第１の電圧の印加開始タイミングは、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、ここで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。
また、図７Ｉに示すように、遅延時間は、通常動作時とは異なる校正動作時に、第１の電圧の電圧印加によってＱスイッチ５７を振動させ、Ｑスイッチ５７の振動の影響が無くなった後に励起光の出射を開始してから、Ｑスイッチに第２の電圧を印加するまでの時間を変化させた場合に、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ことが好ましい。これにより、Ｑスイッチ５７において生じる振動を利用したパルスレーザ光の出力増強と合わせて、最大効率のパルスレーザ光の出力強度とすることができる。
ここで、Ｑスイッチ５７の振動の影響が無くなる状態とするためには、第１の電圧の印加開始タイミングについて、励起光の出射開始タイミングよりもかなり早めればよい。これにより、第１の電圧の印加時にＱスイッチ５７において生じた振動が減衰し消滅するため、パルスレーザ光の出射に際してＱスイッチ５７の振動の影響を無くすことができる。具体的には、第１の電圧の印加開始タイミングについて、励起光の出射開始タイミングよりも１ｍｓ程度早めればよい。また、第１の電圧の印加開始タイミングの変更以外にも、第１の電圧の立ち上がり時間を長くすることで、Ｑスイッチ５７において生じる振動そのものを抑えることができるため、校正動作時には第１の電圧の印加開始タイミングの変更と第１の電圧の立ち上がり時間の変更を組み合わせて、Ｑスイッチ５７の振動の影響を無くすようにしてもよい。
また、第１の電圧の印加開始タイミングを変化させた場合のパルスレーザ光の強度変化の周期をＴとしたとき、通常動作時の第１の電圧の印加開始タイミングを決定するために第１の電圧の印加開始タイミングを変化させる時間幅（予め設定された時間幅）については、ｎＴ＋δと表すことができる。ここで、ｎは整数、δは周期Ｔ未満の時間である。ここで、予め設定された時間幅については、１周期分の時間を確認すればパルスレーザ光の強度変化の周期のピーク位置を特定することができるため、このような態様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８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第１の電圧の印加開始タイミングをさらに変更可能に構成したものである。このように第１の電圧の印加開始タイミング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第１の電圧の印加開始タイミングがずれた場合でも、設定者が第１の電圧の印加開始タイミング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、検出部としてのレーザ光検出センサ６２と、記憶部としてのメモリ６３と、画像表示部６４と、入力部６５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。
レーザ光検出センサ６２は、共振器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。レーザ光検出センサ６２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。
メモリ６３は、上述したＱスイッチ５７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、メモリ６３には、図７IIに示すように、設定されている第１の電圧の印加開始タイミングにおける、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。
入力部６５は、設定者による第１の電圧の印加開始タイミング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６５が、本発明のタイミング変更部に相当するものである。
制御部６１は、入力部６５における指示入力に応じて、メモリ６３に記憶されたパルスレーザ光Ｌの周期特性を読み出し、画像表示部６４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６１が、本発明の表示制御部に相当するものである。
画像表示部６４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、例えば入力部６５も兼ねて液晶タッチパネルから構成されるものである。
レーザ光検出センサ６２によって検出されたパルスレーザ光Ｌの強度は、制御部６１に出力される。制御部６１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を得る際に用いた第１の電圧の印加開始タイミングとを対応付けてメモリ６３に記憶させる。制御部６１は、第１の電圧の印加開始タイミングを変更しながら、その第１の電圧の印加開始タイミングとレーザ光検出センサ６２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付けてメモリ６３に記憶させることによって、メモリ６３に上述したパルスレーザ光Ｌの周期特性を記憶させる。なお、レーザ光検出センサ６２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、たとえば第１の電圧の印加開始タイミングのキャリブレーションを行う場合に、設定者が、入力部６５を用いてキャリブレーションの指示入力を行う。
入力部６５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６１は、第１の電圧の印加開始タイミングを変更しながら、その第１の電圧の印加開始タイミングに対応するパルスレーザ光Ｌの強度を順次取得し、メモリ６３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６１は、メモリ６３に記憶されたパルスレーザ光Ｌの周期特性を読み出し、これを画像表示部６４に表示させる。また、制御部６１は、現在設定されている第１の電圧の印加開始タイミングを示す指標を画像表示部６４に表示させる。
設定者は、画像表示部６４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第１の電圧の印加開始タイミングとの関係を確認し、入力部６５を用いて現在設定されている第１の電圧の印加開始タイミングを変更する。具体的には、設定者は、第１の電圧の印加開始タイミングが、パルスレーザ光Ｌの周期特性の最大値となるように設定を変更する。
次に、本発明のレーザ装置の一実施形態を備えた光音響計測装置を説明する。図９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。
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明のレーザ装置および光音響計測装置は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正および変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
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：画像表示手段
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：受信メモリ
２４：データ分離手段
２５：光音響画像生成手段
２６：超音波画像生成手段
２７：画像合成手段
２８：制御手段
２９：送信制御回路
５０：パルスレーザ光出射部
５１：レーザロッド
５２：フラッシュランプ
５３：励起チャンバ
５４：出力ミラー５４
５５：リアミラー
５６：Ｑ値変更部
５７：Ｑスイッチ
５８：偏光子
５９：フラッシュランプ電源
６０：Ｑスイッチドライバ
６１：制御部
７０：高圧電源
７１：抵抗
７２：コンデンサ
７３：第１のスイッチ
７４：第２のスイッチ

Claims (14)

  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、
    前記共振器の光路上に配置され、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スイッチに対して前記第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スイッチに対して前記第１の電圧を印加させた状態で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出射させる制御部とを備え、
    前記制御部は、通常動作時において、前記第１の電圧の電圧印加によって前記Ｑスイッチを振動させ、前記励起光の出射開始から予め設定された遅延時間が経過したタイミングで前記Ｑスイッチに対して前記第２の電圧を印加させ、
    前記通常動作時における前記第１の電圧の印加開始タイミングは、予め設定された前記第１の電圧の印加開始タイミングを、前記励起光の出射開始の時点に対して予め設定された時間幅で変化させた場合に、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タイミングに設定されている
    レーザ装置。
  2. 前記予め設定された前記第１の電圧の印加開始タイミングは、前記励起光の出射開始タイミングと同時である
    請求項１記載のレーザ装置。
  3. 前記遅延時間は、前記通常動作時とは異なる校正動作時に、前記第１の電圧の電圧印加によって前記Ｑスイッチを振動させ、前記Ｑスイッチの振動の影響が無くなった後に前記励起光の出射を開始してから、前記Ｑスイッチに前記第２の電圧を印加するまでの時間を変化させた場合に、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
    請求項１または２記載のレーザ装置。
  4. 前記予め設定された時間幅は、前記第１の電圧の印加開始タイミングを変化させた場合の前記パルスレーザ光の強度変化の周期と同じ時間である
    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の電圧は、前記第２の電圧よりも高い電圧である
    請求項１から４いずれか１項記載のレーザ装置。
  6. 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５いずれか１項記載のレーザ装置。
  7. 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６記載のレーザ装置。
  8. 前記第１の電圧の印加開始タイミングを変化させた場合の前記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の特性を示す特性情報を記憶させる記憶部を備えた
    請求項１から７いずれか１項記載のレーザ装置。
  9. 前記記憶部に記憶された前記特性情報を表示部に表示させる表示制御部を備えた
    請求項８記載のレーザ装置。
  10. 前記パルスレーザ光の強度の周期的な変化を検出する検出部を備えた
    請求項１から９いずれか１項記載のレーザ装置。
  11. 前記通常動作時における前記第１の電圧の印加開始タイミングの変更を受け付けるタイミング変更部を備えた
    請求項１から１０いずれか１項記載のレーザ装置。
  12. 請求項１から１１いずれか１項記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置からのレーザ光の出射により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。
  13. 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１２記載の光音響計測装置。
  14. 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１３記載の光音響計測装置。
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