JP6643896B2 - Optical pulse train synchronizer, optical microscope, and optical pulse train synchronization method - Google Patents

Optical pulse train synchronizer, optical microscope, and optical pulse train synchronization method Download PDF

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Description

本発明は、光パルス列同期装置、光学顕微鏡及び光パルス列同期方法に関する。   The present invention relates to an optical pulse train synchronization device, an optical microscope, and an optical pulse train synchronization method.

誘導ラマン散乱顕微鏡などの非線形光学現象を利用する光学顕微鏡では、2つのパルスレーザ(光源)が出射する光パルス列を、パルスのタイミングを一致させた状態、又はタイミングの差を一定に保った状態で試料に集光する必要がある。   In an optical microscope using a non-linear optical phenomenon such as a stimulated Raman scattering microscope, an optical pulse train emitted by two pulse lasers (light sources) is emitted in a state where the pulse timings are matched or the timing difference is kept constant. It needs to be focused on the sample.

特許文献1には、2光子吸収を検出する光検出器の出力をパルスタイミング差として検出し、検出値が設定値になるようにパルス周期を調整する誘導ラマン散乱(SRS:Stimulated Raman Scattering)顕微鏡が記載されている。特許文献1では、光源としてのチタンサファイアレーザが射出する光パルス列の一部を分離し、別の光源(レーザ)が射出する光パルス列と同期するために利用している。   Patent Document 1 discloses a stimulated Raman scattering (SRS) microscope that detects an output of a photodetector that detects two-photon absorption as a pulse timing difference and adjusts a pulse cycle so that a detected value becomes a set value. Is described. In Patent Document 1, a part of an optical pulse train emitted by a titanium sapphire laser as a light source is separated and used to synchronize with an optical pulse train emitted by another light source (laser).

非特許文献1には、チタンサファイアレーザよりも安価でコンパクトなファイバレーザを光源として、エルビウムドープファイバレーザを利用することが記載されている。具体的には、非特許文献1には、エルビウムドープファイバレーザが生成する波長1580nmの光パルス列を、第二高調波発生により波長790nmの光パルス列に変換することが記載されている。   Non-Patent Document 1 describes using an erbium-doped fiber laser as a light source using a fiber laser that is more inexpensive and more compact than a titanium sapphire laser. Specifically, Non-Patent Document 1 describes converting an optical pulse train having a wavelength of 1580 nm generated by an erbium-doped fiber laser into an optical pulse train having a wavelength of 790 nm by generating a second harmonic.

特許第5501360号Patent No. 5501360

Opt.Express 20,13958(2012)Opt. Express 20, 13958 (2012)

しかしながら、チタンサファイアレーザは高出力で光パルス列の同期に十分な強度の光を用いることができるが、サイズが大きくなるという側面がある。また、非特許文献1に記載の方法で得られる波長790nmの光は増幅することができないので、試料に対して十分な光を照射させるには同期に利用する光の強度が制限される。その結果、十分な強度の光を同期に利用できず、同期が不安定になる恐れがある。   However, although a titanium sapphire laser can use light with high output and sufficient intensity for synchronizing an optical pulse train, there is an aspect that the size becomes large. In addition, since light having a wavelength of 790 nm obtained by the method described in Non-Patent Document 1 cannot be amplified, the intensity of light used for synchronization is limited to irradiate sufficient light to a sample. As a result, light of sufficient intensity cannot be used for synchronization, and synchronization may be unstable.

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、2つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる光パルス列同期装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an optical pulse train synchronizer that can perform synchronization of two optical pulses more stably than before.

本発明の一側面としての光パルス列同期装置は、第1の波長を有する第1の光パルス列を出力する第1の光源と、第2の波長を有する第2の光パルス列を出力する第2の光源と、前記第1の光パルス列の波長を第3の波長に変更する波長変更手段と、前記波長変更手段からの光パルス列を、前記第1の波長を有する第3の光パルス列と前記第3の波長を有する第4の光パルス列とに分離する第1の分離手段と、前記第2の光パルス列を、前記第2の波長を有する第5の光パルス列と前記第2の波長を有する第6の光パルス列とに分離する第2の分離手段と、記第3の光パルス列と前記第5の光パルス列とを検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記第1の光パルス列のパルス周期又は前記第2の光パルス列のパルス周期を変更する周期変更手段と、を有する
ことを特徴とする。
また、本発明の他の一側面としての光パルス列同期方法は、第1の波長を有する第1の光パルス列と第2の波長を有する第2の光パルス列とを同期する光パルス列同期方法であって、前記第1の光パルス列の一部の波長を第3の波長に変更するステップと、前記波長変更ステップからの光パルス列を、前記第1の波長を有する第3の光パルス列と第3の波長を有する第4の光パルス列とに分離する第1の分離ステップと、前記第2の光パルス列を、前記第2の波長を有する第5の光パルス列と前記第2の波長を有する第6の光パルス列とに分離する第2の分離ステップと、前記第3の光パルス列と前記第5の光パルス列とを検出する検出ステップと、前記検出ステップでの検出結果に基づいて、前記第1の光パルス列のパルス周期又は前記第2の光パルス列のパルス周期を変更する周期変更ステップと、を有することを特徴とする。
An optical pulse train synchronizer according to one aspect of the present invention includes a first light source that outputs a first optical pulse train having a first wavelength, and a second light source that outputs a second optical pulse train having a second wavelength. A light source, wavelength changing means for changing the wavelength of the first light pulse train to a third wavelength, and a light pulse train from the wavelength changing means, the third light pulse train having the first wavelength and the third A first separating unit that separates the second optical pulse train into a fourth optical pulse train having a second wavelength, and a fifth optical pulse train having the second wavelength and a sixth optical pulse train having the second wavelength. of a second separating means for separating into the optical pulse train, and the prior SL third optical pulse train before Symbol fifth detection means for detecting an optical pulse train, on the basis of the detection result of said detecting means, said first The pulse period of the light pulse train or the pulse period of the second light pulse train It characterized by having a a period changing means for changing.
An optical pulse train synchronization method according to another aspect of the present invention is an optical pulse train synchronization method for synchronizing a first optical pulse train having a first wavelength and a second optical pulse train having a second wavelength. Changing a part of the wavelength of the first optical pulse train to a third wavelength, and converting the optical pulse train from the wavelength changing step into a third optical pulse train having the first wavelength and a third optical pulse train. A first separation step of separating the second light pulse train into a fourth light pulse train having a wavelength, and a sixth separation having the fifth light pulse train having the second wavelength and the second light pulse having the second wavelength. A second separation step of separating the light into a light pulse train, a detection step of detecting the third light pulse train and the fifth light pulse train, and the first light based on a detection result in the detection step. The pulse period of the pulse train or the And having between cycle changing step of changing the pulse period of the optical pulse train, the.

本発明の一側面としての光パルス列同期装置によれば、2つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる。   According to the optical pulse train synchronizer as one aspect of the present invention, the synchronization of two optical pulses can be performed more stably than before.

第1の実施形態における光学顕微鏡の構成を説明する図。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an optical microscope according to the first embodiment. 光検出器における出力電圧と2つの光パルス列のそれぞれのパルスのタイミング差の関係を示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between an output voltage of a photodetector and timing differences between respective pulses of two optical pulse trains. (a)第3の光パルス列と第5の光パルス列とが同期した場合の第3の光パルス列の強度の時間プロファイル。(b)第3の光パルス列と第5の光パルス列とが同期した場合の第5の光パルス列の強度の時間プロファイル。(A) Time profile of the intensity of the third optical pulse train when the third optical pulse train and the fifth optical pulse train are synchronized. (B) The time profile of the intensity of the fifth optical pulse train when the third optical pulse train and the fifth optical pulse train are synchronized. 第1の実施形態の光検出器における出力電圧とパルスのタイミング差の関係を示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between an output voltage and a pulse timing difference in the photodetector according to the first embodiment. (a)第4の光パルス列の強度の時間プロファイル。(b)第6の光パルス列の強度の時間プロファイル。(A) Time profile of the intensity of the fourth light pulse train. (B) Time profile of the intensity of the sixth light pulse train.

(第1の実施形態)
本実施形態の光パルス列同期装置150(以下、「同期装置150」と呼ぶ)を用いた光学顕微鏡100の構成について、図1を参照して説明する。図1は、実施形態の光学顕微鏡100の構成を説明する図である。光学顕微鏡100は、2つの光パルス列を試料に同時に照射し、試料で発生した非線形光学現象を計測する非線形光学顕微鏡である。非線形光学現象としては、誘導ラマン散乱等が挙げられる。
(First embodiment)
The configuration of the optical microscope 100 using the optical pulse train synchronizer 150 (hereinafter, referred to as “synchronizer 150”) of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical microscope 100 according to the embodiment. The optical microscope 100 is a nonlinear optical microscope that simultaneously irradiates a sample with two light pulse trains and measures a nonlinear optical phenomenon generated in the sample. Stimulated Raman scattering and the like are examples of the nonlinear optical phenomenon.

同期装置150は、第1の光源1、第2の光源2、波長変更素子3、第1の分離手段5、第2の分離手段4、ミラー6、第1の合波手段7、第1の光学系8、第1の検出手段(光検出器)9、制御回路10、及び周期変更手段11を有する。光学顕微鏡100は、同期装置150、ミラー12、第2の合波手段13、走査手段14、レンズ15、16、21、第2の光学系17、第3の光学系19、フィルタ20、第2の検出手段22、変換回路23、取得回路24、及び処理手段25を有する。   The synchronizer 150 includes a first light source 1, a second light source 2, a wavelength changing element 3, a first separating unit 5, a second separating unit 4, a mirror 6, a first multiplexing unit 7, and a first multiplexing unit. The optical system includes an optical system 8, a first detecting unit (photodetector) 9, a control circuit 10, and a period changing unit 11. The optical microscope 100 includes a synchronizer 150, a mirror 12, a second multiplexing unit 13, a scanning unit 14, lenses 15, 16, 21, a second optical system 17, a third optical system 19, a filter 20, a second , A conversion circuit 23, an acquisition circuit 24, and a processing means 25.

第1の光源1は、第1のパルス周期、第1の波長(λ1)の第1の光パルス列101を出力する。また、第2の光源2は、第2のパルス周期、第2の波長(λ2)の第2の光パルス列102を出力する。   The first light source 1 outputs a first optical pulse train 101 having a first pulse period and a first wavelength (λ1). Further, the second light source 2 outputs a second optical pulse train 102 having a second pulse period and a second wavelength (λ2).

本実施形態の光学顕微鏡100は、第1の光源1からの第1の光パルス列101と第2の光源2からの第2の光パルス列102とを同期する構成を有する。ここで、本明細書における「同期」とは、第1の光パルス列101と第2の光パルス列102の射出のタイミング差を一定に維持することであると定義する。第2の光源2は、例えばモードロックレーザであり、第2のパルス周期を調整すべく共振器長を変化させることで、同期を実現する。   The optical microscope 100 of the present embodiment has a configuration for synchronizing a first optical pulse train 101 from the first light source 1 and a second optical pulse train 102 from the second light source 2. Here, “synchronization” in this specification is defined as maintaining a constant difference between the emission timings of the first optical pulse train 101 and the second optical pulse train 102. The second light source 2 is, for example, a mode-locked laser, and achieves synchronization by changing the resonator length to adjust the second pulse period.

なお、光パルス列は異なる複数の周波数の光を含み、具体的には幅のある周波数帯域の光を含む。そのため、光パルス列における「波長」とは、光パルス列に含まれている幅のある周波数帯域の光の中心波長又はピーク波長等を指す。例えば、第1の光パルス列101はその中心波長又はピーク波長が第1の波長(λ1)であり、第2の光パルス列102はその中心波長又はピーク波長が第2の波長(λ2)である。   Note that the optical pulse train includes light of a plurality of different frequencies, and specifically includes light of a wide frequency band. Therefore, the “wavelength” in the optical pulse train indicates a center wavelength or a peak wavelength of light in a wide frequency band included in the optical pulse train. For example, the first optical pulse train 101 has a center wavelength or peak wavelength of the first wavelength (λ1), and the second optical pulse train 102 has a center wavelength or peak wavelength of the second wavelength (λ2).

第1の光パルス列101と第2の光パルス列102とを同期することによって、波長変更手段3からの第4の光パルス列104と、ビームスプリッタ4からの第6の光パルス列106とが試料18に照射されるタイミングを調整することが可能となる。なお、第4の光パルス列104は、波長変更手段3に光パルス列101を入射することで得られる第3の波長(λ3)の光パルス列である。第6の光パルス列106は、ビームスプリッタ4に光パルス列102を入射することで得られる第2の波長(λ2)の光パルス列である。以降の説明では、第4の光パルス列104と第6の光パルス列106とをまとめて「照射光」と呼ぶことがある。   By synchronizing the first optical pulse train 101 and the second optical pulse train 102, the fourth optical pulse train 104 from the wavelength changing unit 3 and the sixth optical pulse train 106 from the beam splitter 4 are applied to the sample 18. The irradiation timing can be adjusted. Note that the fourth optical pulse train 104 is an optical pulse train of a third wavelength (λ3) obtained by making the optical pulse train 101 incident on the wavelength changing unit 3. The sixth optical pulse train 106 is an optical pulse train of a second wavelength (λ2) obtained by making the optical pulse train 102 enter the beam splitter 4. In the following description, the fourth light pulse train 104 and the sixth light pulse train 106 may be collectively referred to as “irradiation light”.

波長変更手段3は、入射した第1の光パルス列101の波長(中心波長)を変更して、第1の光パルス列101とは異なる第2の波長(λ3)の第4の光パルス列104を発生させる。波長変更手段3として、高調波、和周波、差周波のいずれかを発生させるPPLN(periodically poled lithium niobate)、又はOPA(optical parametric amplifier)等を利用する。   The wavelength changing means 3 changes the wavelength (center wavelength) of the incident first optical pulse train 101 to generate a fourth optical pulse train 104 having a second wavelength (λ3) different from that of the first optical pulse train 101. Let it. As the wavelength changing means 3, a POLN (periodically polled lithium niobate) that generates any of a harmonic, a sum frequency, and a difference frequency, an OPA (optical parametric amplifier), or the like is used.

波長変更手段3は、光パルス列104に加えて、入射した第1の光パルス列101と同じ波長の第3の光パルス列103を射出する。これは、波長変更手段3の波長変更効率が一般的に数割であり、第1の光パルス列の一部しか波長変更されず、波長変更されなかった光として第3の光パルス列103が射出されるためである。   The wavelength changing means 3 emits, in addition to the optical pulse train 104, a third optical pulse train 103 having the same wavelength as the incident first optical pulse train 101. This is because the wavelength changing efficiency of the wavelength changing means 3 is generally several tens of percent, only a part of the first optical pulse train is changed in wavelength, and the third optical pulse train 103 is emitted as the light whose wavelength has not been changed. That's because.

第1の分離手段5は、第3の光パルス列103と第4の光パルス列104とを分離する。本実施形態では、第1の分離手段5として、波長がλ1の第3の光パルス列103を透過させ、波長がλ3の第4の光パルス列104を反射するよう設計された誘電体多層膜を含むダイクロイックミラーを用いる。第3の光パルス列103は光パルス列同期に利用する。   The first separating unit 5 separates the third optical pulse train 103 and the fourth optical pulse train 104. In the present embodiment, the first separating unit 5 includes a dielectric multilayer film designed to transmit the third optical pulse train 103 having the wavelength λ1 and reflect the fourth optical pulse train 104 having the wavelength λ3. A dichroic mirror is used. The third optical pulse train 103 is used for optical pulse train synchronization.

第2の分離手段4は、第2の光パルス列102を互いに同じ波長(第2の波長λ2)の第5の光パルス列105と第6の光パルス列106とに分離する。本実施形態では、第2の分離手段4は、第2の光パルス列102の一部(第5の光パルス列105)を紙面の右方向に反射し、残り(第6の光パルス列106)を紙面の下方向に透過するビームスプリッタである。第2の分離手段4は、一定の割合で入射光を反射させることができればよいため、ガラス平板を利用することができる。   The second separating means 4 separates the second optical pulse train 102 into a fifth optical pulse train 105 and a sixth optical pulse train 106 having the same wavelength (second wavelength λ2). In the present embodiment, the second separating means 4 reflects a part of the second optical pulse train 102 (the fifth optical pulse train 105) in the right direction on the paper and the rest (the sixth optical pulse train 106) on the paper. Is a beam splitter that transmits downward. Since the second separating means 4 only needs to be able to reflect incident light at a fixed rate, a glass flat plate can be used.

また、所定の反射率となるようコーティングを施した平板、又は偏光ビームスプリッタを、第2の分離手段4として利用してもよい。偏光ビームスプリッタを利用する場合、第2の光パルス列102が、不図示の半波長板を介して偏光ビームスプリッタに入射するように構成してもよい。不図示の半波長板の光軸周りの角度を調整することで、第5の光パルス列105と第6の光パルス列106との強度比を変えることができる。   Alternatively, a flat plate coated with a predetermined reflectance or a polarizing beam splitter may be used as the second separating unit 4. When a polarization beam splitter is used, the second optical pulse train 102 may be configured to enter the polarization beam splitter via a half-wave plate (not shown). The intensity ratio between the fifth optical pulse train 105 and the sixth optical pulse train 106 can be changed by adjusting the angle of the half-wave plate (not shown) around the optical axis.

第5の光パルス列105は、ミラー6で反射した後、第1の合波手段7としてのダイクロイックミラーにより第3の光パルス列103と同軸に合波される。本実施形態の第1の合波手段7は、波長がλ1の第3の光パルス列103を透過させ、波長がλ2の第5の光パルス列105を反射するよう設計された誘電体多層膜である。   After being reflected by the mirror 6, the fifth optical pulse train 105 is multiplexed coaxially with the third optical pulse train 103 by a dichroic mirror as the first multiplexing means 7. The first multiplexing means 7 of the present embodiment is a dielectric multilayer film designed to transmit the third optical pulse train 103 having the wavelength λ1 and reflect the fifth optical pulse train 105 having the wavelength λ2. .

第1の光学系8は、合波した第3の光パルス列103と第5の光パルス列105とを、光検出器9に導く。本実施形態の第1の光学系8は、対物レンズを有するが、さらにミラー、レンズ等を適宜組み合わせてもよい。   The first optical system 8 guides the combined third optical pulse train 103 and fifth optical pulse train 105 to the photodetector 9. Although the first optical system 8 of the present embodiment has an objective lens, a mirror, a lens, and the like may be appropriately combined.

光検出器9は、第3の光パルス列103と第5の光パルス列105とを検出する検出手段である。光検出器9は、フォトダイオードなどの受光素子と、受光素子の受光面で生じた電流を電圧に変換して出力する電気回路と、を有する。受光素子の受光面で2光子吸収によって発生する電流を大きくするため、第1の光学系8の対物レンズの開口数を0.5以上にすることが好ましい。   The photodetector 9 is a detection unit that detects the third optical pulse train 103 and the fifth optical pulse train 105. The photodetector 9 includes a light receiving element such as a photodiode, and an electric circuit that converts a current generated on a light receiving surface of the light receiving element into a voltage and outputs the voltage. In order to increase the current generated by two-photon absorption on the light receiving surface of the light receiving element, it is preferable that the numerical aperture of the objective lens of the first optical system 8 be 0.5 or more.

光検出器9の受光素子は、2光子吸収信号を得るために、第3の光パルス列103の光子エネルギーE1(E1∝1/λ1)と第5の光パルス列105の光子エネルギーE2(E2∝1/λ2)の和(E1+E2)に対応した波長に感度を有する。すなわち、光検出器9の受光素子は、E1+E2に対応した波長λ1・λ2/(λ1+λ2)に感度を有する。例として、λ1が1580ナノメートル、λ2が1030ナノメートルである場合、624ナノメートルに光検出の感度があればよい。   In order to obtain a two-photon absorption signal, the light receiving element of the photodetector 9 has a photon energy E1 (E1∝1 / λ1) of the third light pulse train 103 and a photon energy E2 (E2∝1) of the fifth light pulse train 105. / Λ2) has sensitivity at a wavelength corresponding to the sum (E1 + E2). That is, the light receiving element of the photodetector 9 has sensitivity at the wavelength λ1 · λ2 / (λ1 + λ2) corresponding to E1 + E2. As an example, when λ1 is 1580 nm and λ2 is 1030 nm, it is sufficient that the light detection sensitivity is 624 nm.

図2は、光検出器9の検出結果としての出力電圧Vと、第3の光パルス列103のパルスが光検出器9の受光面に到着したタイミングから光パルス列105のパルスが同受光面に到達したタイミングを差し引いたタイミング差Δtとの関係を示している。図2において、出力電圧Vを縦軸、タイミング差Δtを横軸とした。   FIG. 2 shows the output voltage V as a detection result of the photodetector 9 and the pulse of the optical pulse train 105 reaching the light receiving surface from the timing when the pulse of the third optical pulse train 103 arrives at the light receiving surface of the photodetector 9. And the timing difference Δt obtained by subtracting the calculated timing. 2, the vertical axis represents the output voltage V, and the horizontal axis represents the timing difference Δt.

光検出器9の出力には、E1+E2に対応した2光子吸収信号以外に、E1+E1及びE2+E2のそれぞれに対応した2光子吸収信号が含まれる。そのため、E1+E1及びE2+E2のそれぞれに対応した2光子吸収信号が、E1+E2に対応した2光子吸収信号に付与される。   The output of the photodetector 9 includes two-photon absorption signals corresponding to E1 + E1 and E2 + E2 in addition to the two-photon absorption signals corresponding to E1 + E2. Therefore, a two-photon absorption signal corresponding to each of E1 + E1 and E2 + E2 is added to a two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2.

E1+E1に対応した2光子吸収は、第1のパルス周期で発生する。また、E2+E2に対応した2光子吸収は、第2のパルス周期で発生する。本実施形態では、光検出器9の出力電圧の帯域周波数を、第1のパルス周期及び第2のパルス周期のそれぞれに対応した周波数より小さく設定している。このため、E1+E2及びE2+E2に対応した2光子吸収信号は、第1のパルス周期及び第2のパルス周期では変調しないDC成分となる。   Two-photon absorption corresponding to E1 + E1 occurs in the first pulse cycle. Two-photon absorption corresponding to E2 + E2 occurs in the second pulse cycle. In the present embodiment, the band frequency of the output voltage of the photodetector 9 is set smaller than the frequencies corresponding to the first pulse period and the second pulse period. Therefore, the two-photon absorption signals corresponding to E1 + E2 and E2 + E2 are DC components that are not modulated in the first pulse cycle and the second pulse cycle.

E1+E2に対応した2光子吸収信号は、第3の光パルス列103のパルスと第5の光パルス列105のパルスとのタイミングが一致した場合、つまり同時に光検出器9の受光面に到達した場合(Δt=0)に発生する。2つのパルスのピーク強度が完全に一致した場合に、最大の信号が得られ、その信号は光パルス列103の強度と光パルス列105の強度の積に比例する。   The two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2 is obtained when the timing of the pulse of the third optical pulse train 103 coincides with the timing of the pulse of the fifth optical pulse train 105, that is, when the pulse reaches the light receiving surface of the photodetector 9 at the same time (Δt = 0). When the peak intensities of the two pulses completely match, a maximum signal is obtained, and the signal is proportional to the product of the intensity of the optical pulse train 103 and the intensity of the optical pulse train 105.

光検出器9からの検出結果としての出力電圧は、制御回路10に入力される。制御回路10は、光検出器9からの出力電圧Vに基づいて、光パルス列を同期させるための信号を周期変更手段11へ出力する。具体的には、制御回路10は、光検出器9の出力電圧が図2に示す目標値V(E1+E2に対応した2光子吸収信号によって電圧が変化する範囲内の任意の電圧)となるように、パルスのタイミング差を調整する信号を周期変更手段11へ出力する。 An output voltage as a detection result from the photodetector 9 is input to the control circuit 10. The control circuit 10 outputs a signal for synchronizing the light pulse train to the period changing means 11 based on the output voltage V from the light detector 9. Specifically, the control circuit 10, so that the output voltage of the photodetector 9 is (any voltage in the range in which the voltage varies by two-photon absorption signal corresponding to the E1 + E2) the target value V n shown in FIG. 2 Then, a signal for adjusting the pulse timing difference is output to the period changing means 11.

2光子吸収信号は、第1の光源1又は第2の光源2が出力する光の強度変化、及び光検出器9の受光面への集光状態によって変化する。そのため、安定的に光パルス列を同期させるには、光検出器9の出力電圧の目標値V、すなわちタイミング差Δtにおける出力電圧を、E1+E2に対応した2光子吸収信号によって変化する電圧の中間値とすることが好ましい。 The two-photon absorption signal changes depending on a change in the intensity of the light output from the first light source 1 or the second light source 2 and a state of focusing on the light receiving surface of the photodetector 9. Therefore, in order to stably synchronize the optical pulse train, the output voltage at the target value V n of the output voltage of the photodetector 9, that is, the output voltage at the timing difference Δt n is set to the intermediate value of the voltage changed by the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2. It is preferable to use a value.

周期変更手段11は、第2のパルス周期を変更する。周期変更手段11は、位相変調器又はミラーを取り付けたステージを有し、位相変調器への電圧印加やステージ駆動により第2の光源2の共振器長を変更する。共振器長を変更することにより、第2のパルス周期が変更され、パルスタイミングを調整することができる。また、周期変更手段11は、第2の光源2内ではなく、モードロックレーザである第1の光源1内に設置して、第1の光源1の共振器長を調整してもよい。   The cycle changing means 11 changes the second pulse cycle. The period changing means 11 has a stage on which a phase modulator or a mirror is attached, and changes the resonator length of the second light source 2 by applying a voltage to the phase modulator or driving the stage. By changing the resonator length, the second pulse period is changed, and the pulse timing can be adjusted. Further, the period changing means 11 may be provided not in the second light source 2 but in the first light source 1 which is a mode-locked laser to adjust the resonator length of the first light source 1.

ここで、制御回路10の機能に関して述べる。本実施形態では、制御回路10は、図2のタイミング差Δtとなるよう、第2のパルス周期を制御する。光パルス列が同期している場合の、光検出器9の受光面における第3の光パルス列103及び第5の光パルス列105の強度(縦軸)と時間t(横軸)との関係を、それぞれ図3(a)及び(b)で示す。光パルス列が同期されている状態では、第3の光パルス列103のパルス31の強度ピークと、第5の光パルス列105のパルス51の強度ピークと、の間のタイミング差が、図2のタイミング差Δtと一致する。光パルス列の同期が継続的に実現すると、パルス31に隣接したパルスに対しても、タイミング差Δtを持って、第5の光パルス列105のパルスが光検出器9の受光部に到達する。 Here, the function of the control circuit 10 will be described. In the present embodiment, the control circuit 10 controls the second pulse cycle so that the timing difference Δt n in FIG. 2 is obtained. The relationship between the intensity (vertical axis) and the time t (horizontal axis) of the third optical pulse train 103 and the fifth optical pulse train 105 on the light receiving surface of the photodetector 9 when the optical pulse trains are synchronized, respectively This is shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). In a state where the optical pulse trains are synchronized, the timing difference between the intensity peak of the pulse 31 of the third optical pulse train 103 and the intensity peak of the pulse 51 of the fifth optical pulse train 105 is the timing difference of FIG. consistent with the Δt n. If the synchronization of the optical pulse train is continuously realized, the pulse of the fifth optical pulse train 105 reaches the light receiving section of the photodetector 9 with a timing difference Δt n even for the pulse adjacent to the pulse 31.

図3において、第3の光パルス列103と第5の光パルス列105のパルス周期の比を1:2としたが、これに限らず、パルス周期の比がm:nでも適用することができる。m、nは任意の正の整数である。   In FIG. 3, the ratio of the pulse periods of the third optical pulse train 103 and the fifth optical pulse train 105 is set to 1: 2. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied even if the pulse period ratio is m: n. m and n are arbitrary positive integers.

光検出器9の出力電圧が前述の目標値以上となった場合、図3で示した光パルス列が同期した状態と比べて、パルス31とパルス51とがより近接していることを意味する。よって、制御回路10は、第5の光パルス列105のパルスが遅れるよう、すなわち第2のパルス周期を大きくするような(共振器長を長くするような)信号を周期変更手段11へ出力する。   When the output voltage of the photodetector 9 is equal to or higher than the above-described target value, it means that the pulse 31 and the pulse 51 are closer to each other as compared with the state in which the optical pulse train shown in FIG. Therefore, the control circuit 10 outputs to the cycle changing means 11 a signal that delays the pulse of the fifth optical pulse train 105, that is, increases the second pulse cycle (increases the resonator length).

逆に、光検出器9の出力電圧が前述の目標値以下の場合、制御回路10は、第3の光パルス列103のパルスに対して第5の光パルス列105のパルスが進むような信号を周期変更手段11へ出力する。具体的には、制御回路10は、第2のパルス周期を小さくするような(共振器長を短くするような)信号を周期変更手段11へ出力する。なお、周期変更手段11へ出力する信号は、図2において一点鎖線で示した領域近傍で制御が安定して行われるよう帯域と電圧の振幅を設定する。   Conversely, when the output voltage of the photodetector 9 is equal to or less than the target value, the control circuit 10 generates a signal such that the pulse of the fifth optical pulse train 105 advances with respect to the pulse of the third optical pulse train 103. Output to the changing means 11. More specifically, the control circuit 10 outputs a signal for shortening the second pulse cycle (such as shortening the resonator length) to the cycle changing unit 11. The signal output to the cycle changing means 11 is set to have a band and a voltage amplitude such that the control is stably performed in the vicinity of a region indicated by a chain line in FIG.

上述の制御により、第3の光パルス列103のパルスと第5の光パルス列105のパルスとは、光検出器9の受光面上で一定のタイミング差が維持される。   By the above control, a constant timing difference is maintained between the pulse of the third optical pulse train 103 and the pulse of the fifth optical pulse train 105 on the light receiving surface of the photodetector 9.

ここで、第1の光源1の出力強度又は第2の光源2の出力強度が変化した際の振る舞いについて説明する。このとき、E1+E2に対応した2光子吸収信号が変化するだけでなく、DC成分であるE1+E1、E2+E2に対応した2光子吸収信号も変化する。結果として、パルスのタイミング差Δtが出力強度に応じて変化する。出力強度の変化が大きい場合は、あらかじめ設定していた光検出器9の目標値が、E1+E2に対応した2光子吸収信号の変化範囲外となり、光パルス列の同期自体が実現できなくなる。   Here, the behavior when the output intensity of the first light source 1 or the output intensity of the second light source 2 changes will be described. At this time, not only the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2 changes, but also the two-photon absorption signals corresponding to DC components E1 + E1 and E2 + E2. As a result, the pulse timing difference Δt changes according to the output intensity. When the change in the output intensity is large, the target value of the photodetector 9 set in advance falls outside the change range of the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2, and the synchronization itself of the optical pulse train cannot be realized.

本実施形態では、この課題を緩和するため、E1+E1又はE2+E2のいずれかに対応した2光子吸収信号を検出しないように、光検出器9の受光素子の材料のバンドギャップエネルギーEgを選択する。パルス列の同期を実現するため、バンドギャップエネルギーEgをE1+E2以上(E1とE2との和以上)となるように、受光素子の材質及び波長(λ1及びλ2)を選択する。さらに、E1+E1又はE2+E2に対応した2光子吸収信号を検出しないよう、受光素子の材質及び波長(λ1及びλ2)を選択して、バンドギャップエネルギーEgがE1+E1(E1の2倍)又はE2+E2(E2の2倍)より小さくすることが好ましい。   In the present embodiment, in order to alleviate this problem, the band gap energy Eg of the material of the light receiving element of the photodetector 9 is selected so as not to detect the two-photon absorption signal corresponding to either E1 + E1 or E2 + E2. In order to realize synchronization of the pulse train, the material and the wavelength (λ1 and λ2) of the light receiving element are selected so that the band gap energy Eg is equal to or more than E1 + E2 (more than the sum of E1 and E2). Further, the material and wavelength (λ1 and λ2) of the light receiving element are selected so that the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E1 or E2 + E2 is not detected, and the band gap energy Eg is E1 + E1 (twice E1) or E2 + E2 (E2 + E2). (2 times).

例として、λ1が1580ナノメートル(E1〜0.8eV)、λ2が1030ナノメートル(E2〜1.2eV)である場合、光検出器9の受光素子としてGaAsPフォトダイオード(Eg〜2.0eV)を利用すればこの条件を満たす。   For example, when λ1 is 1580 nm (E1 to 0.8 eV) and λ2 is 1030 nm (E2 to 1.2 eV), a GaAsP photodiode (Eg to 2.0 eV) is used as a light receiving element of the photodetector 9. This condition is satisfied by using.

図4は、バンドギャップエネルギーEgがE1+E1より大きくなるように設定した場合の、光検出器9の出力電圧Vとパルスのタイミング差Δtとの関係を示している。図4において、縦軸を出力電圧V、横軸とタイミング差Δtとしている。第1の光源1の出力強度が変化した場合、E1+E2に対応した2光子吸収信号は変化によりパルスのタイミング差が変化するが、E1+E1に対応した出力電圧Vがゼロで一定であるため、パルス列の同期をより安定化することができる。   FIG. 4 shows the relationship between the output voltage V of the photodetector 9 and the pulse timing difference Δt when the bandgap energy Eg is set to be larger than E1 + E1. In FIG. 4, the vertical axis represents the output voltage V, and the horizontal axis represents the timing difference Δt. When the output intensity of the first light source 1 changes, the pulse timing difference of the two-photon absorption signal corresponding to E1 + E2 changes. However, since the output voltage V corresponding to E1 + E1 is zero and constant, the pulse train of the pulse train is changed. Synchronization can be more stabilized.

特許文献1や非特許文献1は、パルス列同期に利用する光の波長が790nm程度と1030nm程度、受光素子がGaAsPフォトダイオードであるため、上記の関係を満たさない。さらに、波長変更素子からの光のうち試料に導く光の一部を光パルス列の同期のために分岐して検出している。本実施形態の光学顕微鏡100は、波長変更されなかった十分な強度を有する光を光パルス列同期に利用するため、試料18に照射する光の強度を従来よりも向上できる。また、波長変更素子3で波長変更されなかった光による2光子吸収信号の発生を低減する構成とすることができ、より安定に光パルス列の同期を行うことができる。   Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1 do not satisfy the above relationship because the wavelength of light used for pulse train synchronization is about 790 nm and about 1030 nm, and the light receiving element is a GaAsP photodiode. Further, a part of the light guided to the sample among the light from the wavelength changing element is branched and detected for synchronization of the optical pulse train. Since the optical microscope 100 of the present embodiment uses light having a sufficient intensity, whose wavelength has not been changed, for synchronizing an optical pulse train, the intensity of light applied to the sample 18 can be improved as compared with the related art. Further, it is possible to reduce the generation of the two-photon absorption signal due to the light whose wavelength has not been changed by the wavelength changing element 3, and to stably synchronize the optical pulse train.

光検出器9は、非線形結晶と、非線形結晶に第3の光パルス列103及び第5の光パルス列105が入射することにより発生した和周波光を検出するフォトマル(光電子増倍管)と、を有する構成としてもよい。非線形結晶としては、例えばバリウムボーレート結晶等を用いる。E1+E2に対応した波長λ1・λ2/(λ1+λ2)が発生するよう非線形結晶のカット角度及び配置角度を調整する。λ1及びλ2の光は誘電体多層膜などで構成するフィルタにより波長λ1・λ2/(λ1+λ2)の光と分離することで、波長λ1・λ2/(λ1+λ2)のみをフォトマルで検出する。この場合、E1+E1又はE2+E2の成分はほとんど生じないため、光パルス列をより安定して同期できる。和周波光に限らず、非線形結晶に第3の光パルス列103及び第5の光パルス列105が入射することにより発生した差周波光を検出する構成とすることもできる。   The photodetector 9 includes a nonlinear crystal and a photomultiplier (photomultiplier) that detects a sum frequency light generated by the third optical pulse train 103 and the fifth optical pulse train 105 incident on the nonlinear crystal. May be provided. As the nonlinear crystal, for example, a barium borate crystal or the like is used. The cut angle and the arrangement angle of the nonlinear crystal are adjusted so that the wavelength λ1 / λ2 / (λ1 + λ2) corresponding to E1 + E2 is generated. The light of λ1 and λ2 is separated from the light of wavelength λ1 · λ2 / (λ1 + λ2) by a filter composed of a dielectric multilayer film or the like, so that only the wavelength λ1 / λ2 / (λ1 + λ2) is detected by photomultiplier. In this case, since the component of E1 + E1 or E2 + E2 hardly occurs, the optical pulse train can be synchronized more stably. Not only the sum frequency light, but also a configuration in which the difference frequency light generated by the third light pulse train 103 and the fifth light pulse train 105 incident on the nonlinear crystal can be detected.

従来技術では、試料18に照射する照射光の一部を光パルス列の同期に利用していたため、同期に利用する2つの光パルス列の光強度を十分に大きくできず、同期が不安定になるおそれがあった。これに対し、本実施形態の同期装置150では、同期に用いる光パルス列として波長変更素子3で波長変更されなかった光パルスを用いるため、試料18に照射する照射光の強度を制限せず、十分な光量の光パルス列を同期に用いることができる。   In the related art, since a part of the irradiation light applied to the sample 18 is used for synchronizing the optical pulse trains, the light intensity of the two optical pulse trains used for synchronization cannot be sufficiently increased, and the synchronization may be unstable. was there. On the other hand, in the synchronizer 150 of the present embodiment, since the light pulse whose wavelength has not been changed by the wavelength changing element 3 is used as the light pulse train used for synchronization, the intensity of the irradiation light irradiating the sample 18 is not limited and is sufficiently high. An optical pulse train with an appropriate amount of light can be used for synchronization.

本実施形態の光学顕微鏡100は、走査型顕微鏡の構成を有している。ミラー12で反射した第4の光パルス列104及び第2の分離手段4を透過した第6の光パルス列106は、第2の合波手段13としてのダイクロイックミラーにより同軸に合波された後、走査手段14に入射する。   The optical microscope 100 of the present embodiment has a configuration of a scanning microscope. The fourth light pulse train 104 reflected by the mirror 12 and the sixth light pulse train 106 transmitted through the second separating means 4 are coaxially multiplexed by a dichroic mirror as the second multiplexing means 13 and then scanned. The light enters the means 14.

走査手段14は、照射光の試料18内(試料18の表面を含む)での集光点(スポット)の位置を変更することにより、照射光により試料18を走査するためのビームスキャナである。具体的には、走査手段14は、走査手段14から射出する照射光の方向を変更して(偏向して)、第2の光学系17に対する照射光の入射角を変更する光偏向素子を含む。走査手段14は、例えばガルバノスキャナとレゾナントスキャナとを有する。簡略化のため、図1では走査手段14内の2つのミラーは図1において1つのミラーで代表して表示している。レゾナントスキャナ(スキャン周波数8kHz)とガルバノスキャナ(スキャン周波数15Hz)を利用すれば、500ラインの画像を毎秒30フレーム程度取得することができる。   The scanning unit 14 is a beam scanner that scans the sample 18 with the irradiation light by changing the position of the converging point (spot) of the irradiation light within the sample 18 (including the surface of the sample 18). Specifically, the scanning unit 14 includes a light deflecting element that changes (deflects) the direction of the irradiation light emitted from the scanning unit 14 and changes the incident angle of the irradiation light to the second optical system 17. . The scanning unit 14 has, for example, a galvano scanner and a resonant scanner. For simplicity, two mirrors in the scanning means 14 are represented by one mirror in FIG. 1 in FIG. If a resonant scanner (scan frequency of 8 kHz) and a galvano scanner (scan frequency of 15 Hz) are used, an image of 500 lines can be acquired at about 30 frames per second.

走査手段14で偏向された照射光は、レンズ15、16を介して第2の光学系17に入射する。走査手段14と第2の光学系17の入射瞳とが共役となるようにレンズ15、16を配置することで、走査手段14で光ビームを偏向しても、遮光により光量が変化することなく試料18に集光する。   The irradiation light deflected by the scanning unit 14 enters the second optical system 17 via the lenses 15 and 16. By arranging the lenses 15 and 16 so that the scanning unit 14 and the entrance pupil of the second optical system 17 are conjugate, even if the scanning unit 14 deflects the light beam, the light amount does not change due to light shielding. The light is focused on the sample 18.

第2の光学系17は、照射光を試料16に導く照射光学系である。第2の光学系17は、対物レンズを有し、更にミラー等を有していてもよい。レンズ15、16による光学系の倍率は、第2の光学系17の入射瞳サイズと入射する光ビームサイズが同等になるように選択する。そうすれば、第2の光学系17により集光する光スポットサイズを最小化させ非線形光学現象による信号を検出する空間分解能が向上する。また、光スポットの強度が高まることで非線形光学現象による信号が大きくなるので、信号対雑音比も向上する。第2の光学系17は、信号を検出する空間分解能と信号対雑音比の観点から、大きい開口数(NA)の対物レンズを有することが望ましい。   The second optical system 17 is an irradiation optical system that guides irradiation light to the sample 16. The second optical system 17 has an objective lens, and may further have a mirror or the like. The magnification of the optical system by the lenses 15 and 16 is selected so that the size of the entrance pupil of the second optical system 17 and the size of the incident light beam become equal. Then, the light spot size condensed by the second optical system 17 is minimized, and the spatial resolution for detecting a signal due to the nonlinear optical phenomenon is improved. In addition, since the signal due to the nonlinear optical phenomenon increases as the intensity of the light spot increases, the signal-to-noise ratio also improves. The second optical system 17 preferably has an objective lens having a large numerical aperture (NA) from the viewpoint of the spatial resolution for detecting a signal and the signal-to-noise ratio.

試料18は、図示していないカバーガラスやスライドガラスにより挟まれている。走査手段14による光ビームの偏向により、試料18に集光した光スポットにより2次元走査される。光学顕微鏡100は、非線形光学現象による信号を用いて、試料の2次元画像を取得することができる。得られる信号は、集光した光スポットで生じるため、不図示のステージにより試料18を光軸方向に移動させることで3次元画像を得ることもできる。   The sample 18 is sandwiched between a cover glass and a slide glass (not shown). Due to the deflection of the light beam by the scanning means 14, two-dimensional scanning is performed by the light spot focused on the sample 18. The optical microscope 100 can acquire a two-dimensional image of a sample using a signal based on a nonlinear optical phenomenon. Since the obtained signal is generated in a condensed light spot, a three-dimensional image can be obtained by moving the sample 18 in the optical axis direction by a stage (not shown).

第3の光学系19は、試料18を透過し非線形光学現象によって強度変調をうけた光を採光する。試料18からの光をなるべく多く受け取るべく、第2の光学系17のNAと同等以上のNAを有する。第3の光学系19を射出した光は、フィルタ20、レンズ21を介して、第2の検出手段22の受光素子の受光面に照射される。   The third optical system 19 collects light transmitted through the sample 18 and subjected to intensity modulation by a nonlinear optical phenomenon. In order to receive as much light from the sample 18 as possible, it has an NA equal to or greater than the NA of the second optical system 17. The light emitted from the third optical system 19 is applied to the light receiving surface of the light receiving element of the second detecting means 22 via the filter 20 and the lens 21.

フィルタ20は、非線形光学現象を得るために必要な波長帯域の光のみを透過させるように設計した誘電体多層膜である。第2の検出手段22は、フィルタ20を透過した波長に感度を持つ受光素子を有する。変換回路23は、第2の検出手段22で発生した電流信号を電圧として出力する電気回路である。取得回路24は、バンドパスフィルタやロックインアンプであり、非線形光学現象による信号を大きな信号対雑音比で取得するための電気回路である。   The filter 20 is a dielectric multilayer film designed to transmit only light in a wavelength band necessary for obtaining a nonlinear optical phenomenon. The second detection means 22 has a light receiving element having sensitivity to the wavelength transmitted through the filter 20. The conversion circuit 23 is an electric circuit that outputs a current signal generated by the second detection unit 22 as a voltage. The acquisition circuit 24 is a bandpass filter or a lock-in amplifier, and is an electric circuit for acquiring a signal due to a nonlinear optical phenomenon with a large signal-to-noise ratio.

処理手段25は、走査手段14の制御信号を利用し、取得回路24の出力(非線形光学現象による信号)を用いて、資料18の2次元画像のデータを取得する。処理手段25で取得した二次元画像のデータは、不図示の表示部で表示される。処理手段25をコンピュータとした場合は、コンピュータの画面に表示してもよい。また、処理手段25は、不図示のステージで試料18を光軸方向に移動させて取得した信号を用いて、3次元画像のデータを取得することもできる。また、処理手段25は、第1の光源1及び第2の光源2のそれぞれから出力される光パルス列の少なくとも一方の波長を変化させて取得した信号をスペクトルとして表示することもできる。   The processing unit 25 acquires the data of the two-dimensional image of the material 18 using the control signal of the scanning unit 14 and using the output of the acquisition circuit 24 (the signal due to the nonlinear optical phenomenon). The two-dimensional image data acquired by the processing unit 25 is displayed on a display unit (not shown). When the processing means 25 is a computer, it may be displayed on a computer screen. Further, the processing unit 25 can also acquire data of a three-dimensional image by using a signal acquired by moving the sample 18 in the optical axis direction on a stage (not shown). Further, the processing means 25 can also display a signal obtained by changing at least one wavelength of the optical pulse train output from each of the first light source 1 and the second light source 2 as a spectrum.

以上、本実施形態の同期装置150及び光パルス列同期方法によれば、2つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる。また、同期装置150を有する光学顕微鏡100によれば、2つの光パルス列の同期が従来よりも安定的に行われ、また、波長変更素子3からの第4の光パルス列104を同期のために分離することなく照射光として用いることができる。   As described above, according to the synchronization device 150 and the optical pulse train synchronization method of the present embodiment, the synchronization of two optical pulses can be performed more stably than before. Further, according to the optical microscope 100 having the synchronizing device 150, the synchronization of the two optical pulse trains is performed more stably than before, and the fourth optical pulse train 104 from the wavelength changing element 3 is separated for synchronization. It can be used as irradiation light without performing.

(第2の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態の光学顕微鏡100を誘導ラマン散乱(SRS:Stimulated Raman Scattering)顕微鏡として用いる例について述べる。
(Second embodiment)
In the present embodiment, an example will be described in which the optical microscope 100 of the first embodiment is used as a stimulated Raman scattering (SRS) microscope.

SRSは、非線形光学現象の一つであり、波長が異なる2つの光パルス(2波長光パルス)を試料に同時に照射することで誘起する。2波長光パルスの光周波数の差が試料の分子振動数と一致すると、それら光パルスの集光点にてSRSが生じる。試料を透過した2波長光パルスのうち、波長が短い光パルス(ポンプ光)の強度が減少し(誘導ラマンロス)、波長が長い光パルス(ストークス光)の強度が増大する(誘導ラマンゲイン)。この強度変化は、2波長光パルスのそれぞれの強度の積に比例する。   SRS is one of nonlinear optical phenomena, and is induced by simultaneously irradiating a sample with two light pulses having different wavelengths (two-wavelength light pulse). When the difference between the optical frequencies of the two-wavelength light pulses matches the molecular frequency of the sample, SRS occurs at the focal point of those light pulses. Among the two-wavelength light pulses transmitted through the sample, the intensity of the short-wavelength light pulse (pump light) decreases (stimulated Raman loss), and the intensity of the long-wavelength light pulse (Stokes light) increases (stimulated Raman gain). This intensity change is proportional to the product of the respective intensities of the two-wavelength light pulses.

本実施形態では、継続してSRSを発生させるために、波長が異なる2つの光パルス列を同期させる。すなわち、試料18に照射する第4の光パルス列104の波長λ3と第6の光パルス列106の波長λ2とが異なり、第4の光パルス列104と第6の光パルス列106とが試料18に同時に照射されるように同期する。   In the present embodiment, two optical pulse trains having different wavelengths are synchronized to continuously generate the SRS. That is, the wavelength λ3 of the fourth optical pulse train 104 irradiating the sample 18 is different from the wavelength λ2 of the sixth optical pulse train 106, and the fourth optical pulse train 104 and the sixth optical pulse train 106 irradiate the sample 18 simultaneously. Sync to be.

後述するラマンスペクトルの分解能の低下を低減しつつSRSによる強度変化を大きくするため、第1の光源1及び第2の光源2として、光パルスの時間幅が1〜10ピコ秒の短パルスレーザを利用するのが望ましい。SRS信号の検出を効率よく行うため、第1の光源1と第2の光源2のそれぞれが生成する第1の光パルス列101及び第2の光パルス列102のパルス周期を1:2とする。ここでは、第1の光源1として、中心波長1580ナノメートル、パルス周期12.5ナノ秒の光パルス列を出力するエルビウムドープファイバレーザを利用する。第2の光源2としては、中心波長1030ナノメートル、パルス周期25ナノ秒の光パルス列を出力するイッテルビウムドープファイバレーザを利用する。   In order to increase the intensity change due to the SRS while reducing the degradation of the resolution of the Raman spectrum described later, a short pulse laser having a light pulse time width of 1 to 10 picoseconds is used as the first light source 1 and the second light source 2. It is desirable to use. In order to detect the SRS signal efficiently, the pulse periods of the first light pulse train 101 and the second light pulse train 102 generated by each of the first light source 1 and the second light source 2 are set to 1: 2. Here, as the first light source 1, an erbium-doped fiber laser that outputs an optical pulse train having a center wavelength of 1580 nanometers and a pulse period of 12.5 nanoseconds is used. As the second light source 2, an ytterbium-doped fiber laser that outputs an optical pulse train having a center wavelength of 1030 nm and a pulse period of 25 nanoseconds is used.

波長変更手段3は、第4の光パルス列104として第2高調波(波長790nm)を発生させるPPLNと、第2高調波を効率よく発生させるために入射光をPPLNに集光させるレンズと、PPLNを透過した光を平行光にするレンズと、を有する。   The wavelength changing means 3 includes a PPLN for generating a second harmonic (wavelength 790 nm) as the fourth optical pulse train 104, a lens for condensing incident light on the PPLN to efficiently generate the second harmonic, and a PPLN. And a lens that converts light transmitted through the lens into parallel light.

第4の光パルス列104及び第6の光パルス列106が試料18に照射されるタイミングが一致し(図5)、且つ試料18上の同一の集光点(スポット)に集光されると、試料18を透過したパルスの光強度がSRSによって変化する。図5(a)におけるパルス41、43、45の強度は小さくなり、パルス42とパルス44の強度は変化しない。フィルタ20は、790nmの光を透過し1030nmの光を遮断する。第2の検出手段22の受光素子は、790ナノメータの光に感度を持つシリコンフォトダイオードで、遮断周波数が40MHz(パルス周期25ナノ秒に対応)以上であるものを利用する。   When the timings at which the fourth light pulse train 104 and the sixth light pulse train 106 are irradiated onto the sample 18 coincide (FIG. 5), and the light beams are condensed on the same condensing point (spot) on the sample 18, the sample The light intensity of the pulse transmitted through 18 changes by SRS. In FIG. 5A, the intensities of the pulses 41, 43, and 45 decrease, and the intensities of the pulses 42 and 44 do not change. The filter 20 transmits 790 nm light and blocks 1030 nm light. The light receiving element of the second detection means 22 is a silicon photodiode having sensitivity to light of 790 nanometers and having a cutoff frequency of 40 MHz (corresponding to a pulse period of 25 nanoseconds) or more.

第2の検出手段22で検出したい隣接パルスの強度差は微小であるため、取得回路24として変換回路23の出力から40MHz成分の振幅を抽出し電圧として出力する電気回路(ミキサ回路又はロックインアンプ)を利用する。   Since the intensity difference between adjacent pulses to be detected by the second detection means 22 is very small, an electric circuit (mixer circuit or lock-in amplifier) which extracts the amplitude of the 40 MHz component from the output of the conversion circuit 23 and outputs it as a voltage as the acquisition circuit 24 ).

第2の検出手段22で検出した隣接パルスの強度の差がSRS信号に対応し、第4の光パルス列104及び第6の光パルス列106を集光させたスポットに含まれる分子の情報が反映される。例えば、スポットに含まれる分子振動の共振周波数と、第1の光源1の光周波数と第2の光源2の光周波数との差(c/λ1−c/λ2)が一致すると、SRS信号が大きくなる。なお、cは光速である。   The difference between the intensities of the adjacent pulses detected by the second detection means 22 corresponds to the SRS signal, and reflects information on molecules contained in spots where the fourth light pulse train 104 and the sixth light pulse train 106 are collected. You. For example, when the resonance frequency of the molecular vibration included in the spot and the difference (c / λ1−c / λ2) between the optical frequency of the first light source 1 and the optical frequency of the second light source 2 match, the SRS signal increases. Become. Note that c is the speed of light.

第1の光源1の光周波数と第2の光源2の光周波数との差(c/λ1−c/λ2)を変化させながら、SRS信号を取得することでラマンスペクトルを取得できる。ラマンスペクトルを得るためは第1の光源1及び第2の光源2の少なくとも一方の波長を変化させる。取得したラマンスペクトルから、試料18にどのような分子が含まれるか推定できる。SRS顕微鏡は、自発ラマン散乱を利用した顕微鏡と同等のスペクトルを取得することができる。SRSの散乱効率は、自発ラマン散乱の散乱効率より非常に大きいため、SRS顕微鏡は自発ラマン散乱を利用した顕微鏡より短い時間でラマンスペクトルを取得することができる。   The Raman spectrum can be acquired by acquiring the SRS signal while changing the difference (c / λ1−c / λ2) between the optical frequency of the first light source 1 and the optical frequency of the second light source 2. In order to obtain a Raman spectrum, the wavelength of at least one of the first light source 1 and the second light source 2 is changed. From the obtained Raman spectrum, what kind of molecules are contained in the sample 18 can be estimated. The SRS microscope can acquire a spectrum equivalent to a microscope using spontaneous Raman scattering. Since the scattering efficiency of SRS is much higher than the scattering efficiency of spontaneous Raman scattering, an SRS microscope can acquire a Raman spectrum in a shorter time than a microscope using spontaneous Raman scattering.

以上、本実施形態の同期装置150及び光パルス列同期方法によれば、2つの光パルスの同期を従来よりも安定的に行うことができる。また、同期装置150を有する光学顕微鏡100をSRS顕微鏡として用いた場合、2つの光パルスの同期が従来よりも安定的に行われ、また、波長変更素子3からの第4の光パルス列104を同期のために分離することなく照射光として用いることができる。   As described above, according to the synchronization device 150 and the optical pulse train synchronization method of the present embodiment, the synchronization of two optical pulses can be performed more stably than before. When the optical microscope 100 having the synchronizing device 150 is used as an SRS microscope, the synchronization of two light pulses is performed more stably than before, and the fourth light pulse train 104 from the wavelength changing element 3 is synchronized. Can be used as irradiation light without separation.

SRS顕微鏡では、2つの光パルス列のタイミング差が変化するとSRS信号が変化する。それに対し、本実施形態の同期装置150によれば、2つの光パルス列のタイミング差によるSRS信号の変化をより少なくできる。また、本発明により、光パルス列の同期をより継続させることができ、より継続したSRS信号の取得ができる。   In an SRS microscope, an SRS signal changes when a timing difference between two optical pulse trains changes. On the other hand, according to the synchronization device 150 of the present embodiment, a change in the SRS signal due to the timing difference between the two optical pulse trains can be further reduced. Further, according to the present invention, the synchronization of the optical pulse train can be further continued, and the SRS signal can be obtained more continuously.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。   As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist.

例えば、CARS(coherent anti−Stokes Raman scattering)など、SRS以外の非線形光学現象を用いた光学顕微鏡にも使用できる。また、CRS計測に限定せず、多光子吸収、多光子蛍光を計測する光学装置、顕微鏡を構成してもよい。   For example, the present invention can be used for an optical microscope using a nonlinear optical phenomenon other than SRS, such as CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering). Further, the present invention is not limited to the CRS measurement, and an optical device and a microscope for measuring multiphoton absorption and multiphoton fluorescence may be configured.

また、上述の各実施形態では、ガルバノミラーを用いて試料108上で集光点の2次元走査を行う場合について説明した。しかし、走査手段の構成はこれに限らず、1軸のガルバノミラーによる走査と、その走査方向の直交方向に駆動する試料を支持するステージ109の駆動とを組み合わせて2次元走査を行ってもよい。また、ステージ109のみを2次元面内で駆動してもよい。また、画像化する必要がなければ、光偏向素子105を走査せずに、試料108上の1点におけるラマンスペクトル計測を行えばよい。   In each of the above-described embodiments, the case where the two-dimensional scanning of the focal point is performed on the sample 108 using the galvanomirror has been described. However, the configuration of the scanning unit is not limited to this, and two-dimensional scanning may be performed by combining scanning with a one-axis galvanometer mirror and driving of the stage 109 that supports a sample that is driven in a direction orthogonal to the scanning direction. . Further, only the stage 109 may be driven in a two-dimensional plane. If imaging is not necessary, Raman spectrum measurement at one point on the sample 108 may be performed without scanning the light deflection element 105.

さらに、顕微鏡100を用いた測定において、照射光の一方の繰り返し周波数を他方の繰り返し周波数の2倍となるように構成したり、又は繰り返し周波数を同じに構成したりしてもよい。繰り返し周波数を同じにする場合、強度、波長及び偏光状態のいずれかを外部入力信号によって変調する方法を用いて、任意の繰り返し周波数でErファイバレーザ光の第2高調波又はYbファイバレーザ光を変調する。そして、変調されていない方の光を、変調周波数においてロックイン検出することが好ましい。   Further, in the measurement using the microscope 100, one repetition frequency of the irradiation light may be configured to be twice the other repetition frequency, or the repetition frequency may be configured to be the same. When the same repetition frequency is used, the second harmonic of Er fiber laser light or Yb fiber laser light is modulated at an arbitrary repetition frequency using a method of modulating any one of intensity, wavelength, and polarization state by an external input signal. I do. Then, it is preferable to lock-in the unmodulated light at the modulation frequency.

上述の各実施形態では、試料18を透過した光に対する計測を行う構成を説明したが、厚みのある試料18を計測するために、試料18で後方散乱した散乱光に対する計測を行う構成にしてもよい。その場合、第2の光学系17が第3の光学系19としても機能する。すなわち、試料18で後方散乱した散乱光は、第2の光学系17で採光された後、所定の位置に配置されている分岐手段で照射光の光路から分離され、第2の検出手段22で検出される。   In each of the above-described embodiments, the configuration for measuring the light transmitted through the sample 18 has been described. However, in order to measure the thick sample 18, the measurement for the scattered light backscattered by the sample 18 may be performed. Good. In that case, the second optical system 17 also functions as the third optical system 19. That is, the scattered light backscattered by the sample 18 is collected by the second optical system 17 and then separated from the optical path of the irradiation light by the branching unit arranged at a predetermined position. Is detected.

また、試料18に光を導く各構成の一部又は全部をプローブ化して、ラマン散乱観察装置の1形態である内視鏡を構成してもよい。   In addition, an endoscope, which is one form of the Raman scattering observation apparatus, may be configured by forming a probe for part or all of each component for guiding light to the sample 18.

1 第1の光源
2 第2の光源
3 波長変更手段
4 第2の分離手段
5 第1の分離手段
9 検出手段
11 周期変更手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st light source 2 2nd light source 3 wavelength change means 4 2nd separation means 5 1st separation means 9 detection means 11 period change means

Claims (7)

第1の波長を有する第1の光パルス列を出力する第1の光源と、
第2の波長を有する第2の光パルス列を出力する第2の光源と、
前記第1の光パルス列の波長を第3の波長に変更する波長変更手段と、
前記波長変更手段からの光パルス列を、前記第1の波長を有する第3の光パルス列と前記第3の波長を有する第4の光パルス列とに分離する第1の分離手段と、
前記第2の光パルス列を、前記第2の波長を有する第5の光パルス列と前記第2の波長を有する第6の光パルス列とに分離する第2の分離手段と、
記第3の光パルス列と前記第5の光パルス列とを検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記第1の光パルス列のパルス周期又は前記第2の光パルス列のパルス周期を変更する周期変更手段と、を有する
ことを特徴とする光パルス列同期装置。
A first light source that outputs a first optical pulse train having a first wavelength;
A second light source that outputs a second optical pulse train having a second wavelength;
Wavelength changing means for changing the wavelength of the first optical pulse train to a third wavelength;
First separating means for separating the light pulse train from the wavelength changing means into a third light pulse train having the first wavelength and a fourth light pulse train having the third wavelength;
Second separating means for separating the second optical pulse train into a fifth optical pulse train having the second wavelength and a sixth optical pulse train having the second wavelength;
Detecting means for detecting a pre-SL and the third optical pulse train before Symbol fifth optical pulse train,
An optical pulse train synchronizer, comprising: a period changing unit that changes a pulse period of the first optical pulse train or a pulse period of the second optical pulse train based on a detection result of the detecting unit.
前記検出手段は、前記第3の光パルス列が前記検出手段に入射するタイミングと前記第5の光パルス列が前記検出手段に入射するタイミングとの差に応じた信号を出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の光パルス列同期装置
The detection means outputs a signal corresponding to a difference between a timing at which the third light pulse train is incident on the detection means and a timing at which the fifth light pulse train is incident on the detection means. Item 2. An optical pulse train synchronizer according to Item 1.
前記検出手段は、前記第3の光パルス列と前記第5の光パルス列とを受光する受光面において2光子吸収により電流を発生する受光素子を有し、前記電流に応じた信号を出力する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光パルス列同期装置
The detecting means includes a light receiving element that generates a current by two-photon absorption on a light receiving surface that receives the third light pulse train and the fifth light pulse train, and outputs a signal corresponding to the current. The optical pulse train synchronizer according to claim 1 or 2, wherein:
前記受光素子は、前記第1の波長に対応する第1の光子エネルギーと前記第2の波長に対応する第2の光子エネルギーとの和エネルギーに対応した波長に少なくとも受光感度を有することを特徴とする請求項3に記載の光パルス列同期装置The light receiving element is characterized by having at least the light receiving sensitivity to the wavelength corresponding to the sum energy of the second photon energy corresponding to the first photon energy and the second wavelength corresponding to said first wavelength The optical pulse train synchronizer according to claim 3, wherein 前記周期変更手段は、前記第1の光源の共振器長を変更することにより前記第1の光パルス列のパルス周期を変更する、又は、前記第2の光源の共振器長を変更することにより前記第2の光パルス列のパルス周期を変更する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光パルス列同期装置
The period changing unit changes the pulse period of the first light pulse train by changing the resonator length of the first light source, or changes the resonator length of the second light source. The optical pulse train synchronizer according to any one of claims 1 to 4, wherein a pulse cycle of the second optical pulse train is changed.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のパルス列同期装置と、
前記パルス列同期装置からの前記第4の光パルス列と前記第2の分離手段からの前記第6の光パルス列とを試料に照射する照射光学系と、
前記試料からの光を検出する検出手段と、を有する
ことを特徴とする光学顕微鏡。
An optical pulse train synchronizer according to any one of claims 1 to 5,
An irradiation optical system that irradiates the sample with the fourth light pulse train from the pulse train synchronizer and the sixth light pulse train from the second separation unit;
An optical microscope, comprising: detection means for detecting light from the sample.
第1の波長を有する第1の光パルス列と第2の波長を有する第2の光パルス列とを同期する光パルス列同期方法であって、
前記第1の光パルス列の一部の波長を第3の波長に変更するステップと、
前記波長変更ステップからの光パルス列を、前記第1の波長を有する第3の光パルス列と第3の波長を有する第4の光パルス列とに分離する第1の分離ステップと、
前記第2の光パルス列を、前記第2の波長を有する第5の光パルス列と前記第2の波長を有する第6の光パルス列とに分離する第2の分離ステップと、
記第3の光パルス列と前記第5の光パルス列とを検出する検出ステップと、
前記検出ステップでの検出結果に基づいて、前記第1の光パルス列のパルス周期又は前記第2の光パルス列のパルス周期を変更する周期変更ステップと、を有する
ことを特徴とする光パルス列同期方法。
An optical pulse train synchronization method for synchronizing a first optical pulse train having a first wavelength and a second optical pulse train having a second wavelength,
Changing a part of the wavelength of the first optical pulse train to a third wavelength;
A first separating step of separating the optical pulse train from the wavelength changing step into a third optical pulse train having the first wavelength and a fourth optical pulse train having a third wavelength;
A second separation step of separating the second light pulse train into a fifth light pulse train having the second wavelength and a sixth light pulse train having the second wavelength;
A detection step of detecting a pre-SL and the third optical pulse train before Symbol fifth optical pulse train,
An optical pulse train synchronization method, comprising: changing a pulse period of the first optical pulse train or a pulse period of the second optical pulse train based on a detection result in the detecting step.
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