JP6964759B2 - 多波長レーザ装置及び光音響計測装置 - Google Patents

多波長レーザ装置及び光音響計測装置 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ装置、多波長レーザ装置及び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、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光が生体内に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、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。
光音響波計測に用いることができるレーザ装置として、例えば、レーザ媒質にアレキサンドライト結晶あるいはチタンサファイア結晶などを用いることが知られている。特許文献１では、アレキサンドライト結晶をレーザ媒質として備えたレーザ装置において、安定な発振を可能とするため、ノンコートのブリュースター型の偏光子を備えた構成、もしくは、偏光方向が所定方向の光と偏光方向が所定方向に直交する光とを分離する分離膜を有するブリュースター型の偏光子を備えた構成が提案されている。
生体組織の多くは光吸収特性が光の波長に応じて変わり、また一般に、その光吸収特性も組織ごとに特有のものとなっている。例えば図９に、ヒトの動脈に多く含まれる酸化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)と、静脈に多く含まれる還元ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の光波長ごとの分子吸収係数を示す。酸素化ヘモグロビンの光吸収特性は動脈の光吸収特性に対応し、脱酸素化ヘモグロビンの光吸収特性は静脈の光吸収特性に対応する。この波長に応じた光吸収率の違いを利用して、互いに異なる２種の波長の光を血管部分に照射し、動脈と静脈とを区別して画像化する光音響画像生成方法が知られている。
例えば、特許文献２、３及び４には、上記のような２種の波長の光を出射可能な二波長レーザ装置が記載されている。これらのレーザ装置は、レーザ結晶としてアレキサンドライトを備えており、波長７５５ｎｍと波長８００ｎｍのレーザ発振が可能である。
特開２０１５−１１１６６０号公報 特開２０１３−０８９６８０号公報 特開２０１３−２１４７０３号公報 特開２０１５−１９１９１８号公報
上述のように、レーザ装置において、備えられているレーザ結晶の最大利得の波長とは異なる波長でレーザ発振をさせたい場合がある。特許文献１は、波長選択性については何ら言及されていない。
一方、特許文献２では、アレキサンドライト結晶を備えたレーザ装置において、波長分散により光路を分岐する分岐部、波長７５５ｎｍを反射する波長選択性を有する反射部材及び波長８００ｎｍを反射する波長選択性を有する反射部材を備えている。この構成により、特許文献２のレーザ装置は、レーザ媒質の最大利得の波長（７５５ｎｍ）と、最大利得の波長とは異なる波長８００ｎｍでのレーザ発振が可能である。
また、特許文献３のアレキサンドライト結晶を備えたレーザ装置は、波長８００ｎｍの光を例えば９９．８％という高い光透過率で透過させる一方、波長７５５ｎｍの光をほとんど透過させないロングパスフィルタを光路中に挿入する波長切り替え部を備えている。特許文献３のレーザ装置では、このロングパスフィルタの挿入時には波長８００ｎｍで発振し、非挿入時には波長７５５ｎｍで発振させることが可能である。
特許文献４のレーザ装置は、Ｑ値変更ユニット、波長７５５ｎｍ用の共振器及び波長８００ｎｍ用の共振器を備え、Ｑ値を変更することによって、波長７５５ｎｍのレーザ光発振と波長８００ｎｍのレーザ光発振とを切り替えている。
また、異なる二波長を用いた計測により静脈と動脈を区別して画像化するのではなく、すべての血管を同等な輝度で画像化するためには、図９の静脈と動脈の吸収係数のクロスポイントである波長８００ｎｍに近い光を用いた測定を行うことが好ましい。
しかし、アレキサンドライト結晶では、波長７５５ｎｍの光と波長８００ｎｍの光の発光効率（利得）が大きく異なる。図１０は、アレキサンドライト結晶の発振波長と利得との関係を模式的に示すグラフである。このグラフから分かるように、アレキサンドライト結晶の利得は、波長７５５ｎｍ付近で最大となり、波長７５５ｎｍを超える波長範囲では波長が長くなるにつれて低下していく。
レーザ媒質の最大利得波長である７５５ｎｍに対し、波長８００ｎｍの光の利得は著しく低く、発振させるためには大きな電力を投入しなければならず、装置の大型化及び高コスト化につながる。あるいは、利得が十分でないため、波長８００ｎｍの光で発振させた場合のレーザパワーが小さくなり、光音響画像の撮像に際しては、取得できる信号の信号対雑音比（ＳＮ比）が低下するという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、レーザ媒質の最大利得よりも低い利得の波長でレーザ発振する場合にも、装置の大型化、高コスト化、あるいは出力の低下を抑制し得るレーザ装置、多波長レーザ装置及び光音響計測装置を提供することを目的とする。
本発明のレーザ装置は、レーザ結晶と、
レーザ結晶を挟む一対のミラーを含む共振器と、
共振器の光路上に配置された、共振器のＱ値を制御するＱスイッチと、
共振器の光路上に配置された、ｐ偏光を選択的に透過させるブリュースター型の薄膜偏光子とを備え、
薄膜偏光子が、レーザ結晶の最大利得を示す第１の波長のｐ偏光透過率が５％以上２５％以下であり、第１の波長より波長が長くなるにつれてｐ偏光透過率が単調増加し、第３の波長で最大透過率を示す波長選択性を有し、
第１の波長よりも長い波長であり、かつ、第３の波長以下の波長であり、薄膜偏光子におけるｐ偏光透過率が９０％以上である第２の波長のレーザ光を発振する。
本発明のレーザ装置においては、膜偏光子のｐ偏光透過率が、第１の波長において２０％以下であり、第２の波長において９５％以上であってもよい。
本発明のレーザ装置においては、第１の波長と第２の波長との波長差が４５ｎｍ未満であることが好ましい。
本発明のレーザ装置においては、第１の波長と第２の波長との波長差が４０ｎｍ以下であることが好ましい。
本発明のレーザ装置においては、レーザ結晶の第１の波長における利得を１とし、第２の波長における利得をＺとし、前記薄膜偏光子の第１の波長におけるｐ偏光透過率をＸとし、第２の波長におけるｐ偏光透過率をＹとした場合、
１×Ｘ２＜Ｚ×Ｙ２
を満たすことが好ましい。
本発明のレーザ装置においては、レーザ結晶の最大利得を１とした場合に、レーザ結晶の第２の波長における利得が０．７以上であることが好ましい。
本発明のレーザ装置においては、第１の波長が７５５ｎｍ±５ｎｍであり、第２の波長が７８０ｎｍ±１０ｎｍであることが好ましい。この場合、レーザ結晶をアレキサンドライト結晶とすることができる。
本発明のレーザ装置においては、第１の波長が８００ｎｍ±５ｎｍであり、第２の波長が８３５ｎｍ±１０ｎｍであることが好ましい。この場合、レーザ結晶をチタンサファイア結晶とすることができる。
本発明の多波長レーザ装置は、第１の波長の第１のレーザ光を発振する第１のレーザユニット、
第１の波長よりも長波長である第２の波長の第２のレーザ光を発振する第２のレーザユニット、及び、
第１のレーザユニットから出力される第１のレーザ光と、第２のレーザユニットから出力される第２のレーザ光との光路を一致させる合波部を備え、
第２のレーザユニットが、本発明のレーザ装置であり、
第１のレーザユニットが、第２のレーザユニットと同一構成のレーザ装置において、ブリュースター型の薄膜偏光子に代えて、ノンコートのブリュースター型の偏光子を備えたレーザ装置である。
本発明の第１の光音響計測装置は、本発明のレーザ装置と、
レーザ装置から出射した第２の波長のレーザ光が被検体に照射された場合に被検体内で生じた光音響波を検出する光音響波検出部とを備えている。
本発明の第２の光音響計測装置は、本発明の多波長レーザ装置と、
多波長レーザ装置から出射した第１のレーザ光が被検体に照射された場合に被検体内で生じた光音響波を検出し、レーザ装置から出射した第２のレーザ光が被検体に照射された場合に被検体内で生じた光音響波を検出する光音響波検出部とを備えている。
本発明のレーザ装置は、共振器内にブリュースター型の薄膜偏光子を有する。薄膜偏光子は、レーザ結晶の最大利得を示す第１の波長のｐ偏光透過率が５％以上２５％以下であり、第１の波長より長波長側になるにつれてｐ偏光透過率が単調増加し、第３の波長で最大値を示す波長選択性を有する。そして、第１の波長よりも長波長であり、かつ、第３の波長以下の短波長である薄膜偏光子におけるｐ偏光透過率が９０％以上である第２の波長のレーザ光を発振する。係る構成により、本発明のレーザ装置によれば、レーザ媒質の最大利得よりも低い利得の波長でレーザ発振する場合にも装置の大型化、高コスト化、あるいは出力低下を抑制することできる。
本発明の一実施形態のレーザ装置の概略構成を示す図である。 ブリュースター型薄膜偏光子の透過率の波長特性を示す図である。 アレキサンドライトの利得曲線及びレーザ装置において、図２に示した薄膜偏光子１７を備えた場合における利得曲線の模式図である。 アレキサンドライト結晶の利得曲線を示す図である。 チタンサファイア結晶の利得曲線を示す図である。 本発明の一実施形態の多波長レーザの概略構成を示す図である。 レーザ装置を含む第１の実施形態の光音響計測装置を示すブロック図である。 多波長レーザ装置を含む第２の実施形態の光音響計測装置を示すブロック図である。 酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの分子吸収係数の波長特性を示す図である。 アレキサンドライト結晶の利得曲線を示す模式図である。
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。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
「レーザ装置」
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ装置の構成を示す概略図である。レーザ装置１０は、レーザロッド１１、フラッシュランプ１２、レーザチャンバ１３、一対のミラー１４及び１５、Ｑスイッチ１６、並びにブリュースター型の薄膜偏光子１７を有する。レーザロッド１１はレーザ結晶がロッド状に成形されてなるレーザ媒体である。レーザ装置１０は、レーザ結晶の最大利得を示す第１の波長よりも長い波長の第２の波長のレーザ光を発振する。第２の波長は第１の波長よりも利得が小さい。
レーザロッド１１は、例えば、アレキサンドライト結晶、あるいはチタンサファイア結晶を用いることができる。ここでは、アレキサンドライト結晶を用いた場合について説明する。アレキサンドライト結晶のレーザ発振についての利得は、波長７５５ｎｍ付近でピークとなる（図３参照）。利得は、波長７５５ｎｍよりも短い波長の範囲では波長が短くなるにつれて単調減少していく、また、波長７５５ｎｍよりも長い波長の範囲では波長が長くなるにつれて単調に減少していく。
フラッシュランプ１２は、励起光源であり、レーザロッド１１を励起するための励起光を出射する。レーザロッド１１及びフラッシュランプ１２は、レーザチャンバ１３内に収容されている。レーザチャンバ１３は、内部にレーザロッド１１及びフラッシュランプ１２を収容するための空間を有している。また、レーザチャンバ１３の内側には反射面が形成されており、フラッシュランプ１２から出射した光は、直接レーザロッド１１に照射されるか、又は反射面で反射してレーザロッド１１に照射される。レーザチャンバ１３の内側は拡散反射面としてもよい。なお、フラッシュランプ１２以外の光源を、励起光源として用いてもよい。
ミラー１４及び１５は、レーザロッド１１を挟んで対向しており、ミラー１４及び１５により共振器が構成される。光共振器内の光路は必ずしも直線状である必要はなく、ミラー１４及び１５間の光路上にプリズムなどを設け、光軸を曲げてもよい。ミラー１４はアウトプットカプラー（ＯＣ：output coupler）であり、ミラー１５は全反射ミラーである。ミラー１４の反射率は好ましくは７０％以上である。出力光であるレーザ光はミラー１４から出射する。
Ｑスイッチ１６は、共振器の光路上に配置されており、共振器のＱ値を制御する。図１では、Ｑスイッチ１６は、レーザロッド１１とミラー１４との間の、レーザロッド１１から誘導放出された光の光軸上に配置されている。Ｑスイッチ１６は、レーザロッド１１とミラー１５との間に配置されていてもよい。Ｑスイッチ１６は、印加電圧に応じて透過する光の偏光状態を変化させる。Ｑスイッチ１６には、例えばポッケルスセルを用いられる。Ｑスイッチ１６により、光共振器内の挿入損失を損失大（低Ｑ）から損失小（高Ｑ）へと急速に変化させることにより、パルスレーザ光を得ることができる。
ブリュースター型の薄膜偏光子１７は、共振器の光路上に配置される。本実施形態のレーザ装置１０においては、薄膜偏光子１７は、共振器内のレーザロッド１１とＱスイッチ１６との間に配置されている。なお、薄膜偏光子１７は、レーザロッド１１とミラー１５との間に配置されていてもよい。
薄膜偏光子１７は、石英ガラスやホウケイ酸ガラスなどのガラス板１７ａと薄膜１７ｂとを有する。ブリュースター型の薄膜偏光子１７は、薄膜１７ｂを備えたガラス板１７ａをブリュースター角に配置したものである。薄膜１７ｂは、ｐ偏光に対しては高い透過率を示し、ｓ偏光を反射する、例えば、誘電体多層膜である。
図２に薄膜偏光子１７について、一例の透過率の波長特性を示す。図２において、実線がｐ偏光透過率を示し、破線がｓ偏光透過率を示す。薄膜偏光子１７は、レーザ結晶の最大利得を示す第１の波長λ１のｐ偏光透過率Ｘが５％以上２５％以下であり、第１の波長λ１より長波長側になるにつれてｐ偏光透過率が単調増加し、第３の波長λ３で最大透過率ＴＭａｘを示す波長選択性を有する。第１の波長λ１は、ｐ偏光透過率Ｘが２０％以下の波長であることが好ましい。透過率の波長特性において、ｐ偏光透過率が５％になる波長を第４の波長λ４とした場合、λ４≦λ１の関係である。
そして、レーザ装置１０の発振波長である第２の波長λ２は、第１の波長λ１よりも長く、かつ、第３の波長λ３以下の波長であり、薄膜偏光子におけるｐ偏光透過率Ｙが９０％以上である。すなわち、第２の波長λ２は、λ１＜λ２≦λ３であり、その透過率Ｙは、９０％＜Ｙ≦ＴＭａｘである。通常、Ｔｍａｘは９７％以上１００％未満である。なお、第２の波長λ２は透過率Ｙが９５％以上の波長であることが好ましい。第２の波長λ２は透過率Ｙが最大値Ｔｍａｘを示す波長であることが最も好ましい。
すなわち、図２に示すように、ブリュースター型薄膜偏光子１７のｐ偏光透過率の波長特性において透過率が最小値から最大値に遷移する領域（波長λ４からλ３の領域）内に第１の波長λ１及び第２の波長λ２が位置すること、λ４≦λ１＜λ２≦λ３であることが好ましい。
そして、第１の波長λ１と第２の波長λ２との差Δλは４５ｎｍ未満であることが好ましく、４０ｎｍ以下であることがより好ましく、３０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。波長差Δλを４５ｎｍ未満とすることにより、従来よりも高い利得の波長で発振させることができる。
図３に、アレキサンドライト結晶の利得の波長特性を模式的に示す。図３中において、破線がアレキサンドライト結晶の利得曲線である。一方、実線は、レーザ装置１０において図２に示した波長選択性を示す薄膜偏光子１７を備えた場合の実効利得曲線である。図３に示すように、アレキサンドライト結晶の利得は、第１の波長λ１（ここでは７５５ｎｍ）において最大であり、第１の波長λ１から離れるほど小さくなる。したがって、第１の波長λ１と第２の波長λ２との差が小さいことは、より利得の大きな波長で発振させることが可能であることを意味する。
ここで、レーザ結晶の第１の波長λ１における利得（最大利得）を１とし、第２の波長λ２における利得をＺとし、薄膜偏光子１７の第１の波長λ１におけるｐ偏光透過率をＸとし、第２の波長λ２におけるｐ偏光透過率をＹとした場合、Ｘ、Ｙ及びＺは、
１×Ｘ２＜Ｚ×Ｙ２
を満たす。上記式を満たす場合、第１の波長λ１よりも第２の波長λ２での発振の方が優勢となり、第２の波長λ２でレーザ発振が行われる。逆説的ではあるが、最大利得の波長ではない第２の波長λ２で発振されている場合には、第２の波長λ２について上記の関係を満たしていると看做すことができる。
レーザ結晶の最大利得を１とした場合に、レーザ結晶の第２の波長λ２における利得Ｚは０．７以上であることが好ましい。第２の波長λ２は利得が高いほど高いレーザ出力を得ることができるからである。
なお、利得曲線には温度依存性があるが、ここで、上記の第１の波長及び第２の波長についての利得は一定の温度における利得である。
本実施形態においては、第１の波長は７５５ｎｍであり、第２の波長が７８０ｎｍである。レーザ装置１０においては、図２に示すように、７８０ｎｍ近傍で透過率の最大値を示すブリュースター型の薄膜偏光子１７を備えたことにより、７８０ｎｍ未満の波長の光の多くは薄膜偏光子１７で反射されて共振器外にロスされるため、７８０ｎｍ未満の波長の利得は大幅に減じられる。具体的には図３に示すように、アレキサンドライト結晶の、波長７５５ｎｍで最大利得を示す利得曲線が、波長７８０ｎｍで最大利得となる実効利得曲線を示すこととなる。このようにレーザ装置１０における実行利得が波長７８０ｎｍで最大となるため、この波長７８０ｎｍでレーザ発振させることができる。
上記実施形態においては、レーザ装置１０が、第２の波長として波長７８０ｎｍでレーザ光を発振する場合について説明したが、発振波長は７８０ｎｍに限らない。例えば、光音響計測装置に用いられる場合、レーザ光の波長、すなわち第２の波長は、計測の対象となる被検体内の吸収体の光吸収特性によって適宜決定される。また、例えば、計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）には、一般的にはその波長は近赤外波長域に属する波長であることが好ましい。近赤外波長域とはおよそ７００ｎｍ〜８５０ｎｍの波長域を意味する。図９に示した通り、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとではその分子吸収係数の波長特性が異なる。静脈及び動脈を区別なく血管を検出するためには、両者の分子吸収係数が同等である波長８００ｎｍ近傍のレーザ光を用いることが好ましい。しかしながら、既述の通り、アレキサンドライト結晶は、波長８００ｎｍにおける利得が非常に低く、レーザ出力が低くなってしまい、取得できる画像のＳＮ比が小さいという問題がある。本実施形態においては波長７８０ｎｍのレーザ光を用いることにより、動脈と静脈との信号差が小さく、かつアレキサンドライト結晶の利得が波長８００ｎｍの場合ほど低くない領域で光音響波の検出を行うことができる。したがって、ＳＮ比の良好な血管画像を取得することができる。なお、第２の波長は、±１０ｎｍの範囲、すなわち７７０ｎｍ以上、７９０ｎｍ以下の範囲で適宜選択されてもよい。第１の波長７５０ｎｍに対する波長差Δλが２０ｎｍ以上であれば、静脈と動脈との輝度の差が比較的小さい範囲で光音響波の検出を行うことができ、好ましい。
なお、ここで、アレキサンドライト結晶について、実験的に求められている利得曲線を図４に示す。図４はJohn C. Qalling, et.al.による"Tunable Alexandrite Lasers; Development and Performance", IEEE Journal of Quantum Electronics Vol.QE-21, No.10, October 1985に記載されている利得曲線である。図４に示すように、利得曲線は温度によって変化する。アレキサンドライト結晶の場合には、高温になるほど利得が大きくなるが、最大利得を示す波長は７５５ｎｍ±５ｎｍの範囲である。
上記実施形態では、レーザ結晶としてアレキサンドライト結晶を用いた場合について説明したが、本発明のレーザ装置において用いられるレーザ結晶は、アレキサンドライト結晶に限らない。例えば、チタンサファイア結晶等を用いてもよい。
チタンサファイア結晶について、実験的に求められている利得曲線を図５に示す。図５はP. F. Moultonらによる"Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3", Journal of the Optical Society of America B, Vol.3,Issue 1, pp.125-133(1986)に記載されている利得曲線である。図５中において破線で示され、GAINと指されているのが利得曲線である。なお、πと示されている曲線はｐ偏光の発光スペクトル、σと示されている曲線はｓ偏光の発光スペクトルである。
図５に示すように、チタンサファイアは、アレキサンドライト同様に比較的ブロードな利得曲線を示す。チタンサファイアは、波長８００ｎｍ近傍が最も利得が高く優先的に発振し、長波長側にも比較的高い利得を持つ。従って、例えば、波長８３５ｎｍ近傍にｐ偏光透過率の最大値を有するブリュースター型薄膜偏光子を用いることにより、波長８３５ｎｍでレーザ発振させることができる。図２において、λ１を８００ｎｍ、λ２を８３５ｎｍと読み替えることができ、チタンサファイアの場合に用いられるブリュースター型偏光子のｐ偏光透過率の波長特性と第１の波長及び第２の波長との関係は、アレキサンドライトの場合と同様である。なお、チタンサファイアは、最大利得を示す第１の波長は８００ｎｍ±５ｎｍであり、第２の波長は８３５ｎｍ±１０ｎｍの範囲で選択することが好ましい。
従来のレーザ装置と本発明のレーザ装置との差について説明する。レーザ装置においては、レーザ光をパルス発振させる場合にはＱスイッチ（ポッケルスセル）により光の位相を１／２波長シフトさせ、これを偏光子によって共振器外にロスさせることによりＱ値の低い状態を作り、その後Ｑ値を高くして発振させる。この偏光子には充分に高い消光比（透過光におけるｐ偏光とｓ偏光の比率）が求められる。特許文献１においては、レーザロッド及びＱスイッチの反射防止コートが破壊されることを防ぐためにノンコートのブリュースター型の偏光子、あるいは、偏光を分離する分離膜を備えたブリュースター型の偏光子を備えてもよいことが開示されている。これに対し、本実施形態ではブリュースター型の薄膜偏光子がレーザ結晶の最大利得波長とは異なる波長で発振させる波長選択のために用いられており、特許文献１と本実施形態とでは、明らかにブリュースター型の薄膜偏光子の使用目的が異なる。特許文献１には、発振波長については何ら言及されておらず、発振波長の波長制御のために、ブリュースター型の薄膜偏光子を利用できることは記載されていない。
一方、レーザ装置において、最大利得波長とは異なる波長でレーザ発振させるためには、一般に、特許文献２から４に記載されている通り、波長選択のための波長選択素子が共振器内に設けられる。特許文献２から４には、例えば、波長選択素子として、波長選択性の反射部材をミラーに用いる、あるいは、バンドパスフィルタ、ロングパスフィルタなどの波長選択フィルタを備えている。一方、本実施形態のレーザ装置では、ブリュースター型の薄膜偏光子以外の波長選択性の光学素子を備えていない。
一般的なバンドパスフィルタ、ロングパスフィルタなどの波長選択フィルタは、透過率の波長特性において、最大透過率から最小透過率まで変化する遷移波長域が５０ｎｍ以上と広い。そのため、最大利得波長よりも長い波長で発振させようとした場合、最大利得波長よりも少なくとも４５ｎｍ以上長い波長、あるいは短い波長で発振させることしかできなかった。遷移波長域が５０ｎｍ以下の波長選択フィルタの作製には、複雑な光学膜設計が必要となり、コストが増大するばかりでなく、光学膜の多層化により光学膜の損傷のリスクも増大する。
本発明のレーザ装置は、上記の通り、レーザ結晶と、レーザ結晶を挟む一対のミラーを含む共振器と、共振器の光路上に配置された、共振器のＱ値を制御するＱスイッチと、共振器の光路上に配置された、ｐ偏光を選択的に透過させるブリュースター型の薄膜偏光子とを備えている。薄膜偏光子は、レーザ結晶の最大利得を示す第１の波長のｐ偏光透過率が５％以上２５％以下であり、第１の波長より波長が長くなるにつれてｐ偏光透過率が単調増加し、第３の波長で最大透過率を示す波長選択性を有する。そして、本発明のレーザ装置は、第１の波長よりも長く、かつ、第３の波長以下であり、薄膜偏光子におけるｐ偏光透過率が９０％以上である第２の波長のレーザ光を発振する。
ブリュースター型の薄膜偏光子はｐ偏光透過率の最小値から最大値への遷移波長幅が非常に狭く、バンドパスフィルタ及びロングパスフィルタなどの波長選択フィルタと比較して急峻なｐ偏光透過率の変化を示す。したがって、発振波長である第２の波長として、最大利得を示す第１の波長により近い波長、すなわち従来よりも利得の高い波長を選択することが可能となる。例えば、レーザ結晶として、アレキサンドライト結晶を用いた場合において、第２の波長を７８０ｎｍとすることができ、特許文献２〜４のレーザ装置のように、最大利得波長とは異なる波長のレーザ光として波長８００ｎｍの光を発振させていた場合と比較して、大きい利得で発振させることができる。波長８００ｎｍの場合と比較して利得が大きいので、投入電力を抑制することができ、装置の大型化及び高コスト化を抑制することができる。また、同一の投入電力で発振させた場合、波長８００ｎｍよりも大きいレーザ出力とすることができ、出力低下を抑制することができる。
「多波長レーザ装置」
図６は、本発明の一実施形態に係る多波長レーザ装置の構成を示す概略図である。多波長レーザ装置１００は、第１の波長の第１のレーザ光Ｌ１を発振する第１のレーザユニット２０、第１の波長よりも長波長である第２の波長の第２のレーザ光Ｌ２を発振する第２のレーザユニット１０、及び第１のレーザユニット２０から出力される第１のレーザ光Ｌ１と、第２のレーザユニット１０から出力される第２のレーザ光Ｌ２との光路を一致させる合波部３０を備える。
第２のレーザユニット１０は、上記本発明の一実施形態のレーザ装置１０である。すなわち、第２のレーザユニット１０は、レーザロッド１１、フラッシュランプ１２、レーザチャンバ１３、一対のミラー１４及び１５、Ｑスイッチ１６、並びにブリュースター型の薄膜偏光子１７を有する。そして、第２のレーザユニット１０は、レーザ結晶の最大利得を示す第１の波長よりも長い波長の第２の波長のレーザ光（第２のレーザ光Ｌ２）を発振する。第２の波長は第１の波長よりも利得が小さい。各要素の詳細については、すでに述べた通りである。
一方、第１のレーザユニット２０は、第２のレーザユニット１０と同一構成のレーザ装置において、ブリュースター型の薄膜偏光子１７に代えて、ノンコートのブリュースター型の偏光子２７を備えたレーザ装置である。すなわち、第１のレーザユニット２０は、レーザロッド１１、フラッシュランプ１２、レーザチャンバ１３、一対のミラー１４及び１５、Ｑスイッチ１６、並びにブリュースター型の偏光子２７を有する。そして、第１のレーザユニット２０は、レーザ結晶の最大利得を示す第１の波長のレーザ光（第１のレーザ光Ｌ１）を発振する。
各レーザユニット１０及び２０において、レーザロッド１１としてアレキサンドライト結晶が用いられており、第１のレーザ光Ｌ１は波長７５５ｎｍ、第２のレーザ光Ｌ２は波長７８０ｎｍである。
ブリュースター型の偏光子２７は、コーティングなしの石英ガラスやホウケイ酸ガラスなどの素のガラス板をブリュースター角に配置したものである。「ノンコート」とは、最低限、ｐ偏光と、ｓ偏光とを分離するための膜や反射防止膜、保護膜などの、高いエネルギー密度の光によって破壊され得る膜を有していないという意味で使用されており、いかなる膜をも有していないことまでは要しない。
偏光子２７は、既述の通りノンコートであり、波長選択性を有していない。したがって、第１のレーザユニット２０は、レーザロッド１１の最大利得を示す第１の波長で発振する。
合波部３０は、第１のレーザユニット２０から出力された第１のレーザ光Ｌ１を反射するミラー３１と、第２のレーザユニット１０から出力された第２のレーザ光Ｌ２の光路上に配置された１／２波長板３２と、第１のレーザ光Ｌ１を透過し、第２のレーザ光Ｌ２を反射する偏光ビームスプリッタ３３と、第１及び第２のレーザ光Ｌ１及びＬ２を反射するミラー３４とを備えている。
ミラー３１は第１のレーザ光Ｌ１が入射角４５°で入射されるように配置されており、レーザ光Ｌ１の光路を９０°変更させて、偏光ビームスプリッタ３３へ向けて反射する。
１／２波長板３２は、第２のレーザユニット１０から出射されたレーザ光の位相を１／２波長ずらし、レーザ光の偏光を元の偏光と直交する偏光に変換する。第１のレーザユニット２０及び第２のレーザユニット１０から出射されるレーザ光はｐ偏光である。第２のレーザ光Ｌ２は、１／２波長板３２を経てｓ偏光となり偏光ビームスプリッタ３３で反射される。なお、第２のレーザユニット１０において、レーザロッド１１とブリュースター型薄膜偏光子１７とを、第１のレーザユニット２０のレーザロッド１１とブリュースター型薄膜偏光子１７に対して９０°回転させて配置することにより、１／２波長板を省略することができる。すなわち、第１のレーザユニット２０から出力される第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザユニット１０から出力される第２のレーザ光Ｌ２との偏光方向が直交するように、それぞれのレーザロッド及び偏光子を配置しておけば、１／２波長板は不要となる。
偏光ビームスプリッタ３３は、ｓ偏光を反射してｐ偏光を透過する。従って、第１のレーザ光Ｌ１を透過し、１／２波長板を経てｓ偏光となった第２のレーザ光Ｌ２を反射する。この偏光ビームスプリッタ３３の作用により、第１及び第２のレーザ光は同一光路を通って出力されることとなる。
ミラー３４は、偏光ビームスプリッタ３３を透過した第１のレーザ光及び反射した第２のレーザ光の光路上に、第１及び第２のレーザ光Ｌ１及びＬ２が入射角４５°で入射されるように配置されており、両レーザ光を反射する。
以上の構成により、本実施形態の多波長レーザ装置１００は、波長７５５ｎｍの第１のレーザ光Ｌ１は、波長７８０ｎｍの第２のレーザ光Ｌ２を交互にもしくは同時に出射可能である。
特許文献２〜４に開示されている二波長レーザ装置においては、アレキサンドライト結晶を用いる場合に最大利得波長である７５５ｎｍと、波長８００ｎｍの二波長が用いられている。既述の通り、アレキサンドライト結晶において、波長８００ｎｍにおける利得は最大利得と比較して著しく小さい。本実施形態においては、波長７８０ｎｍを第２の波長として用いているので、波長８００ｎｍで発振させる場合と比較して、利得の低下を抑制することができ、出力低下を抑制することができる。
本実施形態の多波長レーザ装置１００は、例えば、光音響計測装置に好適に用いられる。先に説明した図９を参照すると、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビンの波長７５５ｎｍにおける分子吸収係数は、波長７８０ｎｍにおける分子吸収係数よりも低い。一方、静脈に多く含まれる還元ヘモグロビンの波長７５５ｎｍにおける分子吸収係数は、波長７８０ｎｍにおける分子吸収係数よりも高い。この性質を利用し、波長７８０ｎｍで得られた光音響信号に対して、波長７５５ｎｍで得られた光音響信号が相対的に大きいのか小さいのかを調べることで、動脈からの光音響信号と静脈からの光音響信号とを判別することができる。あるいは、酸素飽和度を計測することができる。なお、理論上、選択される二波長において光吸収係数に差があればどのような二波長の組み合わせでもよく、上記した７５５ｎｍと８００ｎｍの組み合わせには限定されない。
例えば、チタンサファイアの最大利得を示す第１の波長は８００ｎｍである。既述の通り、レーザ装置が光音響計測装置に適用され、静脈及び動脈を区別することなく血管を撮像する場合、波長８００ｎｍ近傍のレーザ光を用いることが好ましいため、レーザユニット１０及び２０において、アレキサンドライトに代えてチタンサファイアをレーザ媒体として備えることも好ましい。例えば、図６の多波長レーザ装置において、レーザロッドとしてチタンサファイア結晶を備え、ブリュースター型薄膜偏光子として、波長８３５ｎｍ近傍にｐ偏光透過率の最大値を有する薄膜偏光子を備えた構成とする。これにより、ブリュースター型の薄膜偏光子を備えた第２のレーザユニットからは８３５ｎｍ近傍の第２の波長のレーザ光を出力させ、例えば、ノンコートのブリュースター型の偏光子を備えたレーザユニットからは８００ｎｍの第１の波長の第１のレーザ光を出力させることが可能となる。この場合もアレキサンドライト結晶を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
なお、上記においては、多波長レーザ装置として、第１のレーザ装置と第２のレーザ装置とを並列に配置してなる構成について説明したが、共振器を１つとして、共振器内においてブリュースター型の薄膜偏光子とノンコートのブリュースター型偏光子とを交換可能とする偏光子交換機構を備えても多波長レーザ装置を実現できる。この場合、共振器の光路上における偏光子を交換することにより、レーザ装置は配置された偏光子に応じた第１の波長あるいは第２の波長を選択的に発振させることができる。
「第１の実施形態に係る光音響計測装置」
第１の実施形態のレーザ装置を備えた光音響計測装置について説明する。図７は本実施形態の光音響計測装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態の光音響計測装置１１０は、例えば光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成機能を有する。図７に示されるように、本実施形態の光音響計測装置１１０は、超音波探触子（プローブ）１１１、超音波ユニット１１２、図１に示した一実施形態のレーザ装置１０であるレーザユニット（以下においてレーザユニット１０とする。）、及び表示部１１４を備えている。レーザユニット１０は、被検体に照射されるパルスレーザ光を出射する。
レーザユニット１０は、既述のレーザ装置１０であり、レーザ光として、レーザロッド１１を構成するアレキサンドライト結晶の最大利得波長よりも長い第２の波長のレーザ光を測定光Ｌとして出力する。ここでは、波長７８０ｎｍのレーザ光を出力する。レーザユニット１０は、例えば、超音波ユニット１１２の制御部１３４からのトリガ信号を受けてレーザ光を出力するように構成されている。レーザユニット１０は、レーザ光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力することが好ましい。レーザユニット１０から出力されたレーザ光は光ファイバなどの導光手段によってプローブ１１１まで導光され、プローブ１１１から被検体に向けて照射される。レーザ光の照射は、プローブ１１１以外の場所から行ってもよい。被検体内では、光吸収体が照射されたレーザ光のエネルギーを吸収することにより超音波（音響波）Ｕが生じる。
プローブ１１１は、被検体内の吸収体がレーザ光を吸収することにより被検体内に発生した光音響波の検出を行う光音響波検出部である。プローブ１１１は、例えば、一次元的に配列された複数の超音波検出器素子（超音波振動子）を有し、その一次元配列された超音波振動子により、被検体内からの音響波（光音響信号）を検出する。
超音波ユニット１１２は、受信回路１２１、ＡＤ変換部１２２、受信メモリ１２３、光音響画像生成部１２４、表示制御部１３０及び制御部１３４を有する。
制御部１３４は、光音響計測装置１１０の各部を制御し、本実施形態ではトリガ制御回路（図示省略）を備える。トリガ制御回路は、例えば光音響計測装置１１０の起動の際に、レーザユニット１０に光トリガ信号を送る。これによりレーザユニット１０において、フラッシュランプが点灯し、レーザロッドの励起が開始される。そして、レーザロッドの励起状態は維持され、レーザユニット１０はパルスレーザ光を出力可能な状態となる。
そして、制御部１３４は、その後トリガ制御回路からレーザユニット１０へＱｓｗトリガ信号を送信する。つまり、制御部１３４は、このＱｓｗトリガ信号によってレーザユニット１０からのパルスレーザ光の出力タイミングを制御している。また本実施形態では、制御部１３４は、Ｑｓｗトリガ信号の送信と同時にサンプリングトリガ信号をＡＤ変換部１２２に送信する。サンプリングトリガ信号は、ＡＤ変換部１２２における光音響信号のサンプリングの開始タイミングの合図となる。このように、サンプリングトリガ信号を使用することにより、レーザ光の出力と同期して光音響信号をサンプリングすることが可能となる。
受信回路１２１は、プローブ１１１により検出された光音響信号を受信する。受信回路１２１により受信された光音響信号はＡＤ変換部１２２に送信される。
ＡＤ変換部１２２は、受信回路１２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部１２２は、例えば外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で受信した光音響信号をサンプリングする。
受信メモリ１２３は、ＡＤ変換部１２２によりサンプリングされた光音響信号を記憶する。そして、受信メモリ１２３は、プローブ１１１によって検出された光音響信号のデータを光音響画像生成部１２４に出力する。
光音響画像生成部１２４は、例えば受信メモリ１２３に格納された上記光音響データを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で互いに加算して１ライン分のデータを再構成し、各ラインの光音響データに基づいて断層画像（光音響画像）のデータを生成する。なお、この光音響画像生成部１２４は、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行ってもよい。光音響画像生成部１２４は、上記のようにして生成された光音響画像のデータを表示制御部１３０に出力する。
表示制御部１３０は、光音響画像データに対して所定の表示処理が施し、その所定の表示処理が施された光音響画像データに基づいて、光音響画像をディスプレイ装置等の表示部１１４に表示させる。表示制御部１３０は、プローブ１１１が二次元配列した振動子アレイを有すること又はプローブ走査を行うことにより、複数の光音響画像が取得された場合には、例えば、それらの光音響画像に基づいてボリュームデータを作成し、三次元画像として合成画像を表示部１１４に表示させることもできる。
先に述べた通り、計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）であって、静脈及び動脈を区別なく血管を検出するためには、両者の分子吸収係数が同等である波長８００ｎｍ近傍のレーザ光を用いることが好ましい。しかしながら、アレキサンドライト結晶は、波長８００ｎｍにおける利得が非常に低く、レーザ出力が低くなってしまい、取得できる画像のＳＮ比が小さいという問題がある。本実施形態においては波長７８０ｎｍのレーザ光を用いることにより、静脈、動脈の信号差が小さく、かつアレキサンドライト結晶の利得が波長８００ｎｍの場合ほど低くない領域において光音響波の検出を行うことができる。したがって、ＳＮ比の良好な血管画像を取得することができる。
「第２の実施形態に係る光音響計測装置」
第２の実施形態に係る光音響計測装置の実施形態について説明する。図８は、本実施形態の光音響計測装置１５０の構成を示すブロック図である。
本実施形態の光音響計測装置１５０は、例えば光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成機能を有する。図８に示されるように、本実施形態の光音響計測装置１５０は、プローブ１１１、超音波ユニット１１２、図６に示した一実施形態の多波長レーザ装置１００であるレーザ光源部（以下においてレーザ光源部１００とする。）、及び表示部１１４を備えている。レーザ光源部１００は、被検体に照射される多波長のパルスレーザ光を出射する。なお、図７に示した第１の実施形態の光音響計測装置１１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の機能についての詳細な説明は省略し、異なる点について詳細に説明する。
レーザ光源部１００は、既述の多波長レーザ装置１００であり、第１のレーザユニット２０、第２のレーザユニット１０及び合波部３０を備えている。レーザ光源部１００は、レーザ光として、レーザロッドを構成するアレキサンドライト結晶の最大利得波長である第１の波長のレーザ光（第１のレーザ光）と、第１の波長よりも長い第２の波長のレーザ光（第２のレーザ光）を測定光Ｌとして出力する。ここでは、第１の波長が７５５ｎｍであり、第２の波長が７８０ｎｍである。
レーザ光源部１００から出力されたレーザ光は光ファイバなどの導光手段によってプローブ１１１まで導光され、プローブ１１１から被検体に向けて照射される。第１のレーザ光と第２のレーザ光が同時に、もしくは、交互に切り替えられながら照射される。
制御部１３４においてトリガ制御回路は、まず、第１の波長（７５５ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるために、レーザ光源部１００の第１のレーザユニット２０にフラッシュランプトリガを出力する。これにより第１のレーザユニット２０において、フラッシュランプが点灯し、レーザロッドの励起状態は維持され、第１のレーザユニット２０はパルスレーザ光を出力可能な状態となる。そして、その後トリガ制御回路から第１のレーザユニット２０へＱｓｗトリガ信号を送信する。つまり、制御部１３４は、このＱｓｗトリガ信号によって第１のレーザユニット２０からのパルスレーザ光の出力タイミングを制御している。これにより、レーザ光源部１００は第１のレーザ光を出射する。
レーザ光源部１００から出射した波長８００ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１１まで導光され、プローブ１１１から被検体に照射される。被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響信号が発生する。プローブ１１１は、被検体内で発生した光音響信号を検出する。プローブ１１１で検出された光音響信号は、受信回路１２１にて受信される。
トリガ制御回路は、Ｑスイッチのタイミングに合わせて、ＡＤ変換部１２２にサンプリングトリガを出力する。ＡＤ変換部１２２は、受信回路１２１により受信された光音響信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする。ＡＤ変換部１２２によりサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ１２３に第１の光音響データとして格納される。
トリガ制御回路は、次の光音響信号の受信準備が整うと、第２の波長（７８０ｎｍ）の第２のレーザ光を出射させるために、レーザ光源部１００の第２のレーザユニット１０にフラッシュランプトリガを出力する。これにより、第２のレーザユニット１０において、フラッシュランプが点灯し、レーザロッドの励起状態は維持され、第２のレーザユニット１０はパルスレーザ光を出力可能な状態となる。そして、その後トリガ制御回路からレーザユニット１０へＱｓｗトリガ信号を送信する。つまり、制御部１３４は、このＱｓｗトリガ信号によってレーザユニット１０からのパルスレーザ光の出力タイミングを制御している。これにより、レーザ光源部１００は第２のレーザ光を出射する。
トリガ制御回路は、Ｑスイッチのタイミングに合わせて、ＡＤ変換部１２２にサンプリングトリガを出力する。ＡＤ変換部１２２は、受信回路１２１により受信された光音響信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする。ＡＤ変換部１２２によりサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ１２３に第２の光音響データとして格納される。
ＡＤ変換部１２２は、光音響データを受信メモリ１２３に格納する。ＡＤ変換部１２２は、レーザ光源部１００から出射されるパルスレーザ光の各波長に対応した光音響データを受信メモリ１２３に格納する。つまり、ＡＤ変換部１２２は、被検体に第１の波長の第１のレーザ光が照射されたときにプローブ１１１で検出された光音響信号をサンプリングした第１の光音響データと、第２の波長の第２のレーザ光が照射されたときにプローブ１１１で検出された光音響信号をサンプリングした第２の光音響データとを、受信メモリ１２３に格納する。
光音響画像生成部１２４においては、受信メモリ１２３に格納された第１の光音響データと第２の光音響データとに基づいて、各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係、及び各波長に対応した光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する。そして、それらの情報に基づいて光音響画像を生成する。
酸化ヘモグロビンは、波長７５５ｎｍにおける吸収よりも波長７８０ｎｍにおける吸収が大きい。一方、還元ヘモグロビンは波長７５５ｎｍにおける吸収よりも波長７８０ｎｍにおける吸収が小さい。したがって、第１の光音響データと第２の光音響データとを比較することによって、吸収体が還元ヘモグロビンであるか酸化ヘモグロビンであるかを特定することができる。すなわち、計測された各血管について、還元ヘモグロビンを主に含む血液が流れている静脈であるか、酸化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている動脈であるかを特定することができる。従って、静脈と動脈とを区別して、例えば色分けされた光音響画像を表示画面上に表示することができる。
このように、レーザ光源部として多波長レーザ装置１００を備えることにより、複数の波長のパルスレーザ光を被検体に照射し、各波長のパルスレーザ光を照射したときに検出される光音響信号（光音響データ）を用いることにより、各光吸収体の光吸収特性が波長に応じて異なることを利用した機能イメージングを行うことができる。
なお、第２の実施形態にかかる光音響計測装置の多波長レーザ装置１００において、レーザロッドをアレキサンドライト結晶に代えてチタンサファイア結晶から構成してもよい。この場合、第１のレーザ光の波長を８００ｎｍ、第２のレーザ光の波長を８４０ｎｍとして光音響計測を実施することができ、アレキサンドライトの場合と同様に静脈と動脈を区別して、例えば色分けされた光音響画像を表示が面上に表示することができる。
なお、第１及び第２の実施形態に係る光音響計測装置１１０及び１５０においては、プローブ１１１から被検体に対して超音波を送信し、送信された音響波の反射波の信号に基づいて反射音響波画像を生成するように構成してもよい。光音響画像に加えて超音波画像を生成することにより、超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。
なお、本発明のレーザ装置、あるいは多波長レーザ装置を、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。
１０ レーザ装置（第２のレーザユニット、レーザユニット）
１１ レーザロッド
１２ フラッシュランプ
１３ レーザチャンバ
１４、１５ 共振器を構成するミラー
１６ Ｑスイッチ
１７ ブリュースター型薄膜偏光子
１７ａ ガラス板
１７ｂ 薄膜
２０ 第１のレーザユニット
２７ ノンコートのブリュースター型偏光子
３０ 合波部
３１、３４ ミラー
３２ １／２波長板
３３ 偏光ビームスプリッタ
１００ 多波長レーザ装置（レーザ光源部）
１１０、１５０光音響計測装置
１１１ プローブ
１１２ 超音波ユニット
１１４ 表示部
１２１ 受信回路
１２２ 変換部
１２３ 受信メモリ
１２４ 光音響画像生成部
１３０ 表示制御部
１３４ 制御部
Ｌ１ 第１のレーザ光
Ｌ２ 第２のレーザ光

Claims (11)

  1. 第１の波長の第１のレーザ光を発振する第１のレーザユニット、
    前記第１の波長よりも長波長である第２の波長の第２のレーザ光を発振する第２のレーザユニット、及び、
    前記第１のレーザユニットから出力される前記第１のレーザ光と、前記第２のレーザユニットから出力される前記第２のレーザ光との光路を一致させる合波部を備え、
    前記第２のレーザユニットが、レーザ結晶と、該レーザ結晶を挟む一対のミラーを含む共振器と、前記共振器の光路上に配置された、前記共振器のＱ値を制御するＱスイッチと、前記共振器の光路上に配置された、ｐ偏光を選択的に透過させるブリュースター型の薄膜偏光子とを備え、前記薄膜偏光子が、前記レーザ結晶の最大利得を示す第１の波長のｐ偏光透過率が５％以上２５％以下であり、前記第１の波長より波長が長くなるにつれてｐ偏光透過率が単調増加し、第３の波長で最大透過率を示す波長選択性を有し、前記第１の波長よりも長い波長であり、かつ、前記第３の波長以下の波長であり、前記薄膜偏光子におけるｐ偏光透過率が９０％以上である第２の波長のレーザ光を発振するレーザ装置であり、
    前記第１のレーザユニットが、前記第２のレーザユニットと同一構成のレーザ装置において、前記ブリュースター型の薄膜偏光子に代えて、ノンコートのブリュースター型の偏光子を備えたレーザ装置である、多波長レーザ装置。
  2. 前記薄膜偏光子のｐ偏光透過率が、前記第１の波長において２０％以下であり、前記第２の波長において９５％以上である請求項１に記載の多波長レーザ装置。
  3. 前記第１の波長と前記第２の波長との波長差が４５ｎｍ未満である請求項１または２に記載の多波長レーザ装置。
  4. 前記第１の波長と前記第２の波長との波長差が４０ｎｍ以下である請求項３に記載の多波長レーザ装置。
  5. 前記レーザ結晶の前記第１の波長における利得を１とし、前記第２の波長における利得をＺとし、
    前記薄膜偏光子の前記第１の波長におけるｐ偏光透過率をＸとし、
    前記第２の波長におけるｐ偏光透過率をＹとした場合、
    １×Ｘ２＜Ｚ×Ｙ２
    を満たす請求項１から４のいずれか１項に記載の多波長レーザ装置。
  6. 前記レーザ結晶の最大利得を１とした場合に、前記レーザ結晶の前記第２の波長における利得が０．７以上である請求項１から５のいずれか１項に記載の多波長レーザ装置。
  7. 前記第１の波長が７５５ｎｍ±５ｎｍであり、前記第２の波長が７８０ｎｍ±１０ｎｍである請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
  8. 前記レーザ結晶がアレキサンドライト結晶である請求項７に記載のレーザ装置。
  9. 前記第１の波長が８００ｎｍ±５ｎｍであり、前記第２の波長が８３５ｎｍ±１０ｎｍである請求項１から６のいずれか１項に記載の多波長レーザ装置。
  10. 前記レーザ結晶がチタンサファイア結晶である請求項９に記載の多波長レーザ装置。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の多波長レーザ装置と、
    前記多波長レーザ装置から出射した前記第１のレーザ光が被検体に照射された場合に該被検体内で生じた光音響波を検出し、前記多波長レーザ装置から出射した前記第２のレーザ光が前記被検体に照射された場合に該被検体内で生じた光音響波を検出する光音響波検出部とを備えた光音響計測装置。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP2013089680A (ja) * 2011-10-14 2013-05-13 Canon Inc レーザー装置およびその制御方法
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