WO2007132540A1

WO2007132540A1 - パルスレーザ光のタイミング調整装置、調整方法及び光学顕微鏡

Info

Publication number: WO2007132540A1
Application number: PCT/JP2006/323080
Authority: WO
Inventors: Mamoru Hashimoto; Takeo Minamikawa; Naoki Tanimoto; Minoru Kobayashi; Katsumasa Fujita; Satoshi Kawata; Tsutomu Araki
Original assignee: Osaka University
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2007-11-22
Also published as: JP4862164B2; JPWO2007132540A1; US20100232459A1

Abstract

　容易にパルスレーザ光のタイミングを調整することができるパルスレーザ光のタイミング調整装置、タイミング調整方法、及び光学顕微鏡を提供すること。　本発明にかかる光学顕微鏡は、ビームサンプラー１５、１６で取り出された光ビームから、第１のパルスレーザ光ω１が第２のパルスレーザ光ω２から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、第２のパルスレーザ光ω２が第１の波長のパルスレーザ光から遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成するミラーペア２１、３１と、非線形光学効果に基づく第１の検出信号、及び第２の検出信号を出力する第１の検出器２３、及び第２の検出器３３と、第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいてタイミングを調整するタイミング調整手段４２とを備えるものである。

Description

明細書

パルスレーザ光のタイミング調整装置、調整方法及び光学顕微鏡技術分野

[0001] 本発明は、パルスレーザ光の調整装置、調整方法、及び光学顕微鏡に関し、特に詳しくは、複数のパルスレーザ光のタイミングを調整する調整装置、調整方法、及び光学顕微鏡に関する。

背景技術

[0002] CARS (Coherent Anti— Stokes Raman Scatterting)顕微鏡は、無染色かつ高分解に生体試料を観測することができる顕微鏡として注目されてヽる。 CARS分光では波長の異なる 2つのレーザ光を入射して、入射光の周波数差が分子の固有振動数に一致した際に生じる散乱光を観測する。すなわち、 CARS顕微鏡では、波長の異なる 2つのレーザ光を入射したときに発生する、非線形光学効果に基づいて分光イメージングを実現して、る。

[0003] この非線形光学効果を効率よく起こすには、高いピークパワーを持つ超短パルスレ一ザを用いる必要がある。また、観測する分子振動の周波数は数 cm—¹であるため、レーザにも 3〜5cm^_1のスペクトル幅が要求され、フーリエ変換限界から 3〜5psecの時間幅を持つパルスレーザが最適とされる。

[0004] このような、 2台の超短パルスレーザ光を時間的、空間的に重ね合わせて入射することにより、非線形光学効果が引き起こされる。し力しながら、市販されているレーザ同期システムでは、約 lpsecの時間的な揺らぎ（タイミングジッター）が生じてしまう。 C ARSは多光子過程であり、その信号強度は、入射パルス強度に依存している。従つて、 2つのパルスレーザ光のタイミングジッターは、信号の揺らぎ、すなわちイメージの劣化を引き起こす。タイミングジッターを fsecオーダーにまで抑えるとともに、熟練した操作を要する CARSイメージングのための安定な高精度同期自動制御システムの開発が望まれている。

[0005] パルスレーザ光を高精度に同期させる技術が開示されている（非特許文献 1、 2参照)。非線形光学結晶を用いた非特許文献 1では、和周波を利用してパルスを差動検出している。そして、ジッターをアト秒領域まで、抑えることに成功している。また、非特許文献 2では、光パルスを高速なフォトダイオードで検出している。そして、その 175次成分を用いて電気的に 2台のピコ秒レーザ間の時間差を求め、ジッターを約 2 If secまで抑えることに成功して!/ヽる。

非特許文献 1 :T. R. Schibli et al. , Opt. Lett. , 28, (2003) pp947- 949 非特許文献 2 : D. J. Jones et al. , Rev. Sci. Inst. , 73, (2002) pp2843— 28 48

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] し力しながら、上記の技術では、以下に示す問題点がある。例えば、非特許文献 1 では、フェムト秒レーザに対して制御を行っているため、ピコ秒レーザに適用した場合、位相整合条件によって使用可能な波長が限定されてしまう。また、非特許文献 2 では高周波回路を用いるため、動作を安定させることが困難であり、外乱に弱いといつた問題点がある。すなわち、高周波回路が必要となるため、装置を簡便な構成にすることが困難である。また、電子回路の温度特性などにより、室温が変化すると同期がずれるという問題点もある。

[0007] このように従来のパルスレーザ光の同期装置では、容易に同期させることが困難であるという問題点があった。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、容易にパルスレーザ光のタイミングを調整することができるパルスレーザ光のタイミング調整装置、タイミング調整方法、及び該調整装置を用いた光学顕微鏡を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明の第 1の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整装置であって、第 1のパルスレーザ光を出射する第 1のパルスレーザ光源 (例えば、本発明の実施の形態に力かる第 1のパルスレーザ光源 11)と、第 2のパルスレーザ光を出射する第 2のパルスレーザ光源 (例えば、本発明の実施の形態にカゝかる第 2のパルスレーザ光源 1 2)と、前記第 1のパルスレーザ光の一部、及び第 2のパルスレーザ光の一部を取り出すビームサンプラー（例えば、本発明の実施の形態に力かるビームサンプラー 15、 1 6)と、前記ビームサンプラーで取り出された光ビームから、前記第 1のパルスレーザ光が前記第 2のパルスレーザ光から遅れた第 1のタイミング調整用光ビームと、前記第 2のパルスレーザ光が前記第 1のパルスレーザ光力遅れた第 2のタイミング調整用光ビームとを生成するタイミング遅延手段 (例えば、本発明の実施の形態にかかる第 1のミラーペア 21、及び第 2のミラーペア 31)と、前記第 1のタイミング調整用光ビ一ムを受光する第 1の検出器であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第 1の検出信号を出力する第 1の検出器（例えば、本発明の実施の形態に力かる第 1の検出器 23)と、前記第 2のタイミング調整用光ビームを受光する第 2の検出器であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第 2の検出信号を出力する第 2 の検出器 (例えば、本発明の実施の形態に力かる第 1のパルスレーザ光源 11)と、前記第 1の検出器力の第 1の検出信号と前記第 2の検出器力の第 2の検出信号とに基づいて、前記第 1のパルスレーザ光源と前記第 2のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するタイミング調整手段 (例えば、本発明の実施の形態にカゝかるタイミング調整手段 42)とを備えるものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。

本発明の第 2の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを合成する光合成手段 (例えば、本発明の実施の形態にかかる光合成手段 14)をさらに備え、前記ビームサンプラーが前記光合成手段によって合成された合成光の一部を取り出し、前記第 1のパルスレーザ光源が第 1の波長のパルスレーザ光を出射し、前記第 2のパルスレーザ光源が第 2の波長のパルスレーザ光を出射し、前記タイミング遅延手段が、前記第 1の波長に対する反射率が前記第 2の波長に対する反射率よりも低いダイクロイツクミラーと、前記ダイクロイツクミラーを通過した前記第 1のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成し、前記第 2の波長に対する反射率が前記第 1の波長に対する反射率よりも低いダイクロイツクミラーと、前記ダイクロイツクミラーを通過した前記第 2のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第 2のタイミング調整用光ビームを生成する、ものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。

本発明の第 3の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを合成する光合成手段をさらに備え、前記ビームサンプラーが前記光合成手段によつて合成された合成光の一部を取り出し、前記第 1のパルスレーザ光源が第 1の波長のパルスレーザ光を出射し、前記第 2のパルスレーザ光源が第 2の波長のパルスレ一ザ光を出射し、前記タイミング遅延手段が正の群速度分散を有する第 1の光学素子によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成し、負の群速度分散を有する第 2の光学素子によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成する、ものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。

[0010] 本発明の第 4の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを偏光状態の違いに基づいて第 1のパルスレーザ光、又は第 2のパルスレーザ光を遅れさせることにより、前記第 1、及び第 2のタイミング調整用光ビームを生成するものである。これにより、同じ波長のパルスレーザ光に対してもタイミングを調整することができる。

本発明の第 5の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第 1の検出信号と前記第 2の検出信号との差分に基づく差分信号を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器からの差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行うものである。これにより、安定してタイミングを調整することができる。

[0011] 本発明の第 6の態様に力かる光学顕微鏡は、上記のパルスレーザ光のタイミング調整装置を備え、前記タイミング調整装置によってタイミングが調整された前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを試料に照射するものである。これにより、安定した観察が可能となる。

[0012] 本発明の第 7の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整方法は、複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整方法であって、第 1のパルスレーザ光、及び第 2のパルスレーザ光を出射するステップと、前記第 1のパルスレーザ光の一部、及び前記第 2のパルスレーザ光の一部を取り出すステップと、前記取り出された光ビームから、前記第 1のパルスレーザ光が前記第 2のパルスレーザ光力遅れた第 1のタイミング調整用光ビームと、前記第 2のパルスレーザ光が前記第 1のパルスレーザ光力遅れた第 2のタイミング調整用光ビームとを生成するステツプと、前記第 1のタイミング調整用光ビームを第 1の検出器に受光させて、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第 1の検出信号を出力するステップと、前記第 2のタイミング調整用光ビームを第 2の検出器に受光させて、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第 2の検出信号を出力するステップと、前記第 1の検出信号と前記第 2の検出信号とに基づいて、前記第 1のパルスレーザ光源と前記第 2のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するステップとを有するものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。

本発明の第 8の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整方法は、上述のタイミング調整方法であって、前記第 1の波長のパルスレーザ光と前記第 2の波長のパルスレーザ光とを合成する前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを合成するステップをさらに備え、ノルスレーザ光を出射するステップでは、第 1の波長の前記第 1のパルスレーザ光と、第 2の波長の前記第 2のパルスレーザ光を出射し、前記取り出すステップでは前記第 1の波長のパノレスレーザ光と前記第 2の波長のパルスレーザ光とが合成された合成光の一部を取り出し、前記タイミングを遅延するステツプでは、前記第 1の波長に対する反射率が前記第 2の波長に対する反射率よりも低、ダイクロイツクミラーと、前記ダイクロイツクミラーを通過した前記第 1のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成し、前記第 2の波長に対する反射率が前記第 1の波長に対する反射率よりも低いダイク口イツクミラーと、前記ダイクロイツクミラーを通過した前記第 2のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第 2のタイミング調整用光ビームを生成するものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。

本発明の第 9の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整方法は、上述のタイミング調整方法であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを合成するステップをさらに備え、パルスレーザ光を出射するステップでは、第 1の波長の前記第 1のパルスレーザ光と、第 2の波長の前記第 2のパルスレーザ光を出射し、前記取り出すステップでは前記第 1の波長のパノレスレーザ光と前記第 2の波長のパルスレーザ光とが合成された合成光の一部を取り出し、前記タイミングを遅延するステツプでは、正の群速度分散を有する第 1の光学素子によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成し、負の群速度分散を有する第 2の光学素子によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成するものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。

本発明の第 10の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを偏光状態の違いに基づいて第 1のパルスレーザ光、又は第 2のパルスレーザ光を遅れさせることにより、前記第 1、及び第 2のタイミング調整用光ビームを生成するものである。これにより、同じ波長のパルスレーザ光に対してもタイミングを調整することができる。

[0014] 本発明の第 11の態様に力かるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整方法であって、前記タイミングを調整するステップでは、前記第 1の検出信号と前記第 2の検出信号との差分に基づく差分信号を出力し、前記差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行っているものである。これにより、タイミング調整を安定して行なうことができる。

発明の効果

[0015] 本発明によれば、容易にパルスレーザ光のタイミングを調整することができるパルスレーザ光のタイミング調整装置、タイミング調整方法、及び該調整装置を用いた光学顕微鏡を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1]本発明にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。

[図 2]本発明にかかる光学顕微鏡においてノルスレーザ光を同期させるためのバランス相互相関器の構成を模式的に示す図である。 [図 3A]バランス相互相関器におけるパルスレーザ光の光強度を示す図である。

[図 3B]バランス相互相関器におけるパルスレーザ光の光強度を示す図である。

[図 4A]バランス相互相関器におけるパルスレーザ光の光強度を示す図である。

[図 4B]バランス相互相関器におけるパルスレーザ光の光強度を示す図である。

[図 5]差分信号、第 1の検出信号、及び第 2の検出信号を示す図である。

[図 6]本発明にかかる光学顕微鏡に用いられるタイミング調整手段の別の構成を示す図である。

符号の説明

[0017] 11 第 1のパルスレーザ光源 11 第 2のパルスレーザ光源、 13 ミラー、

14 光合成手段、 15 ビームサンプラー、 16 ビームサンプラー、

17 ミラー、 18 ビームサンプラー、 19 PD、

20 バランス相互相関器、 21 第 1のミラーペア、 22 レンズ、 23 検出器、

24 差動アンプ、 31 第 2のミラーペア、 32 レンズ、 33 検出器、

41 フィードバック制御部、 42 調整手段、 43 LPF、44 オシロスコープ、

50 顕微鏡光学系、 51 対物レンズ、 52 試料、 53 対物レンズ、

54 フィルター、 55 レンズ、 56 光検出器、

61a〜61d ハーフミラー、 62 透明板

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略ィ匕がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。

[0019] 本発明の実施の形態に力かる光学顕微鏡について図 1を用いて説明する。図 1は、光学顕微鏡の構成を示す図である。本実施の形態では、光学顕微鏡が CARS顕微鏡として説明する。本実施の形態に力かる光学顕微鏡では、波長の異なる 2本のレーザ光を合成して、試料に照射している。 [0020] 光学顕微鏡 100は、 2本のパルスレーザ光のタイミングを調整させるタイミング調整装置と、タイミング調整装置によって同期されたパルスレーザ光を照射する顕微鏡光学系 50とを備えている。タイミング調整装置は、第 1のパルスレーザ光源 11と第 2のパルスレーザ光源 12と、ミラー 13と、光合成手段 14と、第 1のビームサンプラー 15と、第 2のビームサンプラー 16と、ビームスプリッタ 18とフォトダイオード（PD) 19と、ノランス相互相関器 20とを備えている。バランス相互相関器 20は、第 1のミラーペア 21 と、レンズ 22と、第 1の検出器 23と、第 2のミラーペア 31と、レンズ 32と、第 2の検出器 33とを備えている。そして、これらの構成要素を用いて同期された 2本のパルスレ一ザ光は、ミラー 17で反射されて、顕微鏡光学系 50に入射する。顕微鏡光学系 50 は、対物レンズ 51、 53と、フィルター 54とレンズ 55と光検出器 56を備えている。そして、試料 52からのアンチスト一タスラマン散乱光を光検出器 56で検出して、 CARSィメージングを行なって!/、る。

[0021] 第 1のパルスレーザ光源 11、及び第 2のパルスレーザ光源 12は異なる波長のパルスレーザ光を出射する。例えば、第 1のパルスレーザ光源 11の波長 λ 1は、 770nm であり、第 2のパルスレーザ光源 12の波長え 2は、 840nmである。さらに、第 2のパルスレーザ光源 12は、 800〜900nmの範囲で波長走査することができる。図 1では、第 1のパルスレーザ光源 11のパルスレーザ光を ω 1として示しており、第 2のパルスレーザ光源 12のパルスレーザ光を ω 2として示している。第 1のパルスレーザ光源 11 と第 2のパルスレーザ光源 12とは、ピコ秒パルスレーザを用いている。第 1のパルスレ一ザ光源 11、と第 2のパルスレーザ光源 12のパルス幅は、例えば、 3〜5psecである。また、第 1のパノレスレーザ光 ω ΐと第 2のパノレスレーザ光 ω 2とは、略同じパノレス幅を有している。

[0022] そして、第 1のパルスレーザ光源 11、と第 2のパルスレーザ光源 12の繰り返し周波数は、同じ 80MHz程度である。この繰り返し周波数は、光が共振器を 1往復する時間に基づいている。従って、 2つのパルスレーザ光源 11、 12の共振器のキヤビティ長を一致させることによって、パルスを同期させることができる。第 1のノルスレーザ光源 11、及び第 2のパルスレーザ光源 12としては、例えば、モードロックチタンサファイアレーザを用いることができる。具体的には、第 1のノルスレーザ光源 11と第 2のパルスレーザ光源 12として、 Spectra Physics社製 Tsunami (登録商標）を用いることができる。第 1のパルスレーザ光源 11と第 2のパルスレーザ光源 12は、 2枚のミラーの間に微量のチタンが添加されたサファイア結晶が配置された構成をしている。このサファイア結晶に励起光を照射すると所定の波長のパルスレーザ光が出力ミラーから出射する。また、 2枚のミラー力もなる光共振器の長さを変えることによって、パルスレーザ光のタイミングが変化する。

[0023] 第 1のパルスレーザ光源 11からのパルスレーザ光 ω 1は、光合成手段 14に入射する。第 2のパルスレーザ光源 12からのパルスレーザ光 ω 2は、ミラー 13で反射された後、光合成手段 14に入射する。光合成手段 14は例えば、ダイクロイツクミラーであり、波長によって異なる透過率 (反射率)を有している。ここでは、光合成手段 14は、波長 λ 1の光を透過し、波長 λ 2の光を反射する。従って、パルスレーザ光 ω 1のほとんどは、光合成手段 14を通過し、パルスレーザ光 ω 2のほとんどは、光合成手段 14で反射される。光合成手段 14は、それぞれの光軸に対して、 45° 傾けて配置されている。従って、光合成手段 14は、パルスレーザ光 ω 1とパルスレーザ光 ω 2とを効率よく、空間的に重ね合わせる。

[0024] また、第 1のパルスレーザ光源 11と光合成手段 14の間に、ビームスプリッタ 18を配置している。このビームスプリッタ 18は、第 1のパルスレーザ光 ω 1の一部を取り出す。そして、ビームスプリッタ 18によって取り出された第 1のパルスレーザ光 ω ΐの一部は、 PD (フォトダイオード） 19で検出される。この PD19での検出結果に基づいて、第 1のパルスレーザ光と第 2のパルスレーザ光とを時間的に重ね合わせている。すなわち、第 1のパルスレーザ光のパルスと第 2のパルスレーザ光との一部を重複させている。具体的には、 PLL (Phase Locked Loop)制御を行い、パルスレーザ光源の発振器の周波数を基準の周波数に一致させている。例えば、第 1のパルスレーザ光源 11の周波数を基準周波数として、第 2のパルスレーザ光源 12の周波数を一致させている。これにより、第 1のパルスレーザ光 ω ΐと第 2のパルスレーザ光 ω 2の一部を時間的に重複させることができる。し力しながら、 PLLでは精度が約 lpsecであるため、正確に同期させることができない。すなわち、パルス幅が 3〜5psecであるため、 lpsecのずれが生じると CARSイメージが大幅に劣化してしまう。さらに、外乱等によるタイミングジッターもあるため、 CARSイメージングを安定させることが困難になってしまう。そこで、本実施の形態では、後述するバランス相互相関器 20からの出力に基づいて、キヤビティ長を変えて、パルスレーザ光を同期させている。

[0025] このように、光合成手段 14は、 2本のパルスレーザ光を時間的、空間的に重ね合わせる。すなわち、光合成手段 14は、 2本のノルスレーザ光を合成する。したがって、光合成手段 14から出射される光は 2本のノルスレーザ光が合成された合成光となる。光合成手段 14によって合成された 2本のパルスレーザ光は、ビームサンプラー 15 に入射する。ビームサンプラー 15は、合成光の一部を取り出す。ビームサンプラー 1 5によって取り出された合成光は、第 1のタイミング調整用光ビームとなる。例えば、ビームサンプラー 15は、光を分岐するビームスプリッタであり、合成光の一部を反射する。ビームサンプラー 15は、光軸に対して傾いて配置されている。ビームサンプラー 15で反射された光ビームが、第 1のタイミング調整用光ビームとなる。ここで、第 1のタイミング調整用光ビームには、第 1のパルスレーザ光 ω 1と、第 2のパルスレーザ光 ω 2とが含まれている。

[0026] 一方、ビームサンプラー 15を透過したパルスレーザ光は、ビームサンプラー 16に入射する。ビームサンプラー 16は、ビームサンプラー 15と同様に、パルスレーザ光の一部を取り出す。このビームサンプラー 16によって取り出されたパルスレーザ光は、第 2のタイミング調整用光ビームとなる。例えば、ビームサンプラー 16は、光を分岐するビームスプリッタであり、合成されたパルスレーザ光の一部を反射する。ビームサンブラー 16で反射された光ビーム力第 2のタイミング調整用光ビームとなる。ここで、第 2のタイミング調整用光ビームには、第 1のパルスレーザ光 ω 1と、第 2のノルスレ一ザ光 ω 2とが含まれて!/、る。

[0027] このように、ビームサンプラー 15、 16は、パルスレーザ光の一部を取り出して、 2本のタイミング調整用光ビームを生成する。 2本のタイミング調整用光ビームにぉ、て、パルスレーザ光 _ω 1と、パルスレーザ光 ω 2とは、位置的、空間的に重ね合わされている。すなわち、 2本のタイミング調整用光ビームでは、パルスレーザ光 ω 1と、パルスレーザ光 ω 2とが合成されたままとなつている。この 2本のタイミング調整用光ビーム力 Sバランス相互相関器 20に入射する。バランス相互相関器 20の構成については後述する。ここで、ビームサンプラー 15、 16は、バランス相互相関器 20において光の検出が行なうことができる程度の光を取り出す。すなわち、ビームサンプラー 15、 16 の反射率は、ノンス相互相関器 20において光の検出が行なうことができる範囲で、低い値に設定されている。これにより、顕微鏡光学系 50に入射する光強度を高くすることがでさる。

[0028] ビームサンプラー 15、 16を透過した合成光は、ミラー 17に入射する。ミラー 17は、入射された合成光を顕微鏡光学系 50の方向に反射する。すなわち、ビームサンブラ一 15、 16を通過した合成光が、 CARS顕微鏡の照明光 (励起光）となる。具体的には、合成光は、対物レンズ 51によって集光されて試料 52に入射する。試料 52のから光は、対物レンズ 53で屈折されてフィルター 53に入射する。フィルター 53は、所定の波長帯域の光を通過させるフィルターである。従って、試料 52からの CARS光は透過して、光検出器 56で検出される。試料 52からの CARS光は、レンズ 55によって、光検出器 56の受光面に結像される。光検出器 56は、例えば、 CCDカメラであり、 CARSイメージを撮像する。一方、照明光であるパルスレーザ光 ω 1、 ω 2は、フィルター 54によって遮光される。すなわち、フィルター 54は照明光 (励起光）と CARS光を分離する。なお、フィルター 54の代わりに分光器を用いてもよい。このように、 CAR Sイメージングは、光検出器 56で撮像される。

[0029] ここで、 CARSは、非線形ラマン散乱の一種である。角周波数 ω 1、 ω 2 ( ω 2> ω 1 )の光が入射すると、試料分子との相互作用によって、角周波数 ω 3 = 2 ω 2— ω ΐのコヒーレントな光が放出される。このコヒーレントな光が CARSである。 CARS光は（ω 2- ω 1)が試料のラマン活性振動数と等しいときに極大となる。従って、一方のパルスレーザ光の波長を走査することによって、試料 52中を構成する分子を同定することができる。

[0030] 次にバランス相互相関器 20の構成について説明する。上記のように、バランス相互相関器 20は、第 1のタイミング調整用光ビームと、第 2のタイミング調整用光ビームが入射される。そして、バランス相互相関器 20は、 2本のタイミング調整用光ビームを用いて、 2本のパルスレーザ光を正確に同期させている。ここで、バランス相互相関器 2 0は、第 1のミラーペア 21と第 2のミラーペア 31によって、パルスレーザ光のタイミングを遅延させている。

[0031] ビームサンプラー 15で取り出された第 1のタイミング調整用光ビームは、第 1のミラ一ペア 21に入射する。この第 1のミラーペア 21では、第 2のパルスレーザ光 ω 2に対して第 1のパルスレーザ光 ω 1を A tだけ遅れさせる。すなわち、第 1のパルスレーザ光 ω 1の光路長が、 Δ tに対応する距離だけ第 2のパルスレーザ光 ω 2の光路長よりも長くなつている。従って、第 1のパルスレーザ光 ω 1は、第 2のパルスレーザ光 ω 2よりも遅れて伝播していく。ここでは、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが異なる位置で反射される。そして、第 1のノルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とは、タイミングがずれた状態で、レンズ 22に入射する。レンズ 22は、第 1のタイミング調整用光ビームを屈折する。このレンズ 22によって、第 1のパルスレーザ光 ω ΐと第 2のパルスレーザ光 ω 2とが同じ位置に集光される。そして、レンズ 22で集光された第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2は、第 1の検出器 2 3に入射する。すなわち、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2の集光位置に、第 1の検出器 23の受光面が配置されている。

[0032] 一方、ビームサンプラー 16で取り出された第 2のタイミング調整用光ビームは、第 2 のミラーペア 31に入射する。この第 2のミラーペア 31は、第 1のパルスレーザ光 ω ΐ に対して第 2のパルスレーザ光 ω 2を A tだけ遅れさせる。すなわち、第 2のパルスレ一ザ光 ω 2の光路長が、 A tに対応する距離だけ第 1のパルスレーザ光 ω ΐの光路長よりも長くなつている。ここで A tを正数とすると、第 1のパルスレーザ光 ω 1は— A tだけ第 2のパルスレーザ光 ω 2に対して遅れて!/、る。第 2のパルスレーザ光 ω 2は、第 1 のパルスレーザ光 _ω 1よりも遅れて伝播していく。ここでは、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが異なる位置で反射される。そして、第 1のパルスレ一ザ光 ω ΐと第 2のパルスレーザ光 ω 2とは、タイミングがずれた状態で、レンズ 32に入射する。レンズ 32は、第 2のタイミング調整用光ビームを屈折する。このレンズ 32によって、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが同じ位置に集光される。そして、レンズ 32で集光された第 1のパルスレーザ光 ω ΐと第 2のパルスレーザ光 ω 2は、第 2の検出器 33に入射する。すなわち、第 1のパルスレーザ光 ω ΐと第 2のパルスレーザ光 _ω 2の集光位置に、第 2の検出器 33の受光面が配置されて、る。 [0033] ここで、図 2を用いて第 1のミラーペア 21と第 2のミラーペア 31の構成について説明する。図 2はバランス相互相関器 20の構成を示す図である。第 1のミラーペア 21は、ダイクロイツクミラー 25と、反射ミラー 26とを備えている。また、第 2のミラーペア 31はダイクロイツクミラー 35と反射ミラー 36とを備えている。ダイクロイツクミラー 25、 35は波長に応じて異なる反射率、及び透過率を有している。

[0034] ダイクロイツクミラー 25は、波長 λ 1と波長 λ 2とで異なる透過率を有している。波長 λ 1に対するダイクロイツクミラー 25の透過率は、波長え 2に対するダイクロイツクミラ一 25の透過率よりも高い。換言すると、波長 λ 1に対するダイクロイツクミラー 25の反射率は、波長え 2に対するダイクロイツクミラー 25の反射率よりも低い。具体的には、ダイクロイツクミラー 25は、波長 λ 1の光を透過して、波長 λ 2の光を反射する。すなわち、ダイクロイツクミラー 25は波長 λ 1の光に対しては、高い透過率を有し、波長え 2の光に対しては高い反射率を有している。従って、ダイクロイツクミラー 25は第 1のパルスレーザ光 _ω 1のほとんどを透過し、第 2のパルスレーザ光 ω 2のほとんどを反射する。

[0035] ここで、ダイクロイツクミラー 25は、反射ミラー 26の前面に配置されて、る。換言すると、反射ミラー 26はダイクロイツクミラー 25の背面側に配置されている。従って、ダイク口イツクミラー 25を透過した光のみ、反射ミラー 26に入射する。ここで、第 2のパルスレーザ光 ω 2のほとんどは、ダイクロイツクミラー 25で反射するため、反射ミラー 26には入射しない。一方、第 1のパルスレーザ光 ω 1のほとんどは、ダイクロイツクミラー 25 を透過して、反射ミラー 26に入射する。反射ミラー 26は、ガラス基板に金属膜が蒸着された平面鏡であり、波長に関わらず入射した光のほとんどを反射する。従って、第 1 のパルスレーザ光 _ω 1のほとんどは、反射ミラー 26の反射面で反射し、第 2のパルスレーザ光 ω 2のほとんどはダイクロイツクミラー 25の反射面で反射する。

[0036] さらに、ダイクロイツクミラー 25と反射ミラー 26とは、所定の間隔を隔てて配置されている。すなわち、ダイクロイツクミラー 25の反射面と、反射ミラー 26の反射面とは、所定の距離だけ離れて配置されている。この距離は、第 1のパルスレーザ光 ω 1を遅れさせる時間に基づいた値となる。具体的には、タイミング遅れ A tが数 psecとなるよう、反射面の間の距離が設定されている。タイミング遅れ A tは、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2のパルス幅より短くなつている。例えば、反射面を lm m程度隔てて配置すると、片道で約 3psec遅れる。従って、反射面間の距離は lmm 以下とすることが好ましい。このように、ダイクロイツクミラー 25と反射ミラー 26とは近接して対向配置されている。また、ダイクロイツクミラー 25の反射面と、反射ミラー 26の反射面とは、平行に配置されている。ここで、第 1のミラーペア 21の反射面は、第 1のタイミング調整用光ビームの光軸に対して傾いている。なお、図 1では、第 1のミラーペア 21の反射面が光軸に対して 45° 傾けて配置されている力これに限られるものではない。例えば、タイミング調整用光ビームの第 1のミラーペア 21の反射面に対する入射角を 0° に近づけてもよい。

[0037] このように、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とは、異なる反射面で反射される。従って、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とは、異なる位置で反射される。従って、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とはタイミング遅れが生じるとともに、異なる光軸となって伝播していく。

[0038] 上述のように、第 1のミラーペア 21で反射された第 1のノルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 _ω 2はレンズ 22に入射する。レンズ 22は、第 1のパルスレーザ光 ω ΐ と第 2の ω 2との位置が一致するように、光を屈折する。すなわち、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光の光軸との中間に、レンズ 22の光軸が配置されている。従って、レンズ 22は、第 1のパノレスレーザ光 ω 1の光軸と第 2のパノレスレーザ光 ω 2の光軸が、交差するように、光を屈折する。そして、 2本のパルスレーザ光の光軸の交差点に、検出器 23の受光面が配置されている。従って、ダイクロイツクミラー 25 の反射面力検出器 23までの光路長は、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレ一ザ光 ω 2とで略等しくなる。すなわち、ビームサンプラー 15から検出器 23までの間で、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とには、所定のタイミング遅れ A tが発生する。したがって、第 1のパルスレーザ光 ω ΐは、第 2のパルスレーザ光 ω 2に対して、 A tだけ遅れる。ここで、タイミング遅れ A tは、ダイクロイツクミラー 25 と反射ミラー 26との間の間隔に対応する時間である。

[0039] 第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とは、集光されて第 1の検出器 23に入射する。ここで、第 1の検出器 23は、 2光子検出器であり、 2光子吸収を検出する。すなわち、第 1の検出器 23は、受光面での 2光子吸収の発生数に応じた第 1の検出信号を出力する。具体的には、第 1の検出器 23は、 GaAsPフォトダイオードであり、例えば、浜松ホトニタス社製 G1117を用いることができる。第 1の検出器 23の受光感度は 300〜680nmとなっている。従って、波長 λ 1のフオトン、又は波長え 2 のフオトンの 1光子吸収を検出しない。

[0040] 第 1の検出器 23は、 ΡΝ接合のバンドギャップが波長 λ 1の 1フオトンに対応するェネルギ一よりも大きくなつている。バンドギャップを Eg、プランク定数を h、波長 λ 1の光の振動数を V 1とすると Eg>h v 1となっている。従って、波長 λ 1のフオトンのみが入射したときでは、電子がバンドギャップを超えない。もちろん、波長 λ 2は、波長 λ 1 よりも長い。そのため、波長え 2のフオトンのみが入射したときも、電子がバンドギヤップを超えない。すなわち、 680nmよりも長い波長 λ 1、及び波長 λ 2の光に対して、第 1の検出器 23には感度がない。一方、波長 λ 1のフオトンと、波長 λ 2のフオトンとが同時に入射したときに、価電子帯の電子がバンドギャップを越える。すなわち、 2光子吸収によって励起された電子がバンドギャップを超えて、伝導帯に上がる。 2光子が同時吸収に吸収されると伝導電子（自由電子）、及び正孔が発生する。そして、伝導電子、及び正孔によって生じる電流を増幅することによって、第 1の検出信号が得られる。従って、第 1の検出器 23からは、 2光子吸収に基づく第 1の検出信号が出力される。

[0041] 第 1の検出器 23には、所定のバンドギャップを有するフォトダイオードを用いることができる。ここで、バンドギャップは、パルスレーザ光の波長 λ 1、え 2に応じて、設定している。すなわち、 1光子吸収では、伝導電子が発生せず、 2光子吸収で伝導電子が発生するバンドギャップのフォトダイオードを選択すればよい。すなわち、波長 λ 1 の光子と波長え 2の光子とのエネルギーの和力バンドギャップよりも大きくなつている第 1の検出器 23としては、フォトダイオードに限らず、フォトマルチプライヤー（光電子増倍管)等を用いることも可能である。すなわち、 2光子吸収に応じた検出信号を出力する検出器であればよい。換言すると、 1光子吸収では感度がなぐ 2光子吸収に感度を有する検出器で検出する。ここで、 2光子吸収は、入射光強度の 2乗に比例して起きる。従って、第 1の検出器 23では、光強度の 2乗に比例した第 1の検出信号を得ることができる。

[0042] 一方、第 2のタイミング調整用光ビームは、第 2のミラーペア 31に入射する。第 2のミラーペア 31も同様に、ダイクロイツクミラー 35と反射ミラー 36とを備えている。ここで、ダイクロイツクミラー 35は、ダイクロイツクミラー 25とは異なる透過率、及び反射率の分布を有している。すなわち、波長 λ 1、え 2に対する反射率、及び透過率がダイクロイックミラー 35とダイクロイツクミラー 25とで異なる。ダイクロイツクミラー 35は、ダイクロイックミラー 25と異なり波長 λ 1の光を反射して、波長 λ 2の光を透過する。ダイクロイツクミラー 25とダイクロイツクミラー 35とでは、異なる波長の光を反射させるように、設計を変えている。具体的には、ガラス基板にコーティングされた誘電体薄膜の種類や膜厚等を変化させることによって、透過率、反射率を変えている。

[0043] 波長 λ 1に対するダイクロイツクミラー 35の透過率は、波長 λ 2に対するダイクロイツクミラー 35の透過率よりも低い。換言すると、波長 λ 1に対するダイクロイツクミラー 35 の反射率は、波長え 2に対するダイクロイツクミラー 35の反射率よりも高い。具体的には、ダイクロイツクミラー 35は、波長 λ 1の光を反射して、波長 λ 2の光を透過する。すなわち、ダイクロイツクミラー 35は波長 λ 1の光に対しては、高い反射率を有し、波長え 2の光に対しては高い透過率を有している。従って、ダイクロイツクミラー 35は第 1のパルスレーザ光 ω 1のほとんどを反射し、第 2のパルスレーザ光 ω 2のほとんどを透過する。

[0044] ここで、ダイクロイツクミラー 35は、反射ミラー 36の前面に配置されて、る。換言すると、反射ミラー 36はダイクロイツクミラー 35の背面側に配置されている。従って、ダイク口イツクミラー 35を透過した光のみ、反射ミラー 36に入射する。ここで、第 1のパルスレーザ光 ω 1のほとんどは、ダイクロイツクミラー 35で反射するため、反射ミラー 36には入射しない。一方、第 2のパルスレーザ光 ω 2のほとんどは、ダイクロイツクミラー 35 を透過して、反射ミラー 36に入射する。反射ミラー 36は波長に関わらず入射光のほとんどを反射する。従って、第 2のパルスレーザ光 ω 2のほとんどは、反射ミラー 36の反射面で反射し、第 1のパルスレーザ光 ω 1のほとんどはダイクロイツクミラー 35の反射面で反射する。

[0045] さらに、ダイクロイツクミラー 35と反射ミラー 36とは、第 1のミラーペア 21と同様に、所定の間隔を隔てて配置されている。すなわち、ダイクロイツクミラー 35と反射ミラー 36 との配置は、第 1のミラーペア 21におけるダイクロイツクミラー 25と反射ミラー 26との配置と同じである。従って、第 1のパルスレーザ光 ω ΐに対して、第 2のパルスレーザ光 ω 2を遅れさせることができる。タイミング遅れは、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2 のパルスレーザ光 _ω 2のパルス幅より短くなつている。さらに、第 1のミラーペア 21のタイミング遅れ Atと、第 2のミラーペア 31によるタイミング遅れ Atでは、値が等しくなつている。すなわち、第 1のミラーペア 21によって、第 1のパルスレーザ光 ω ΐが Atだけ遅れ、第 2のミラーペア 31によって第 2のパルスレーザ光 ω 2が Atだけ遅れる。

[0046] このように、第 2のタイミング調整用光ビームでは、第 2のパルスレーザ光 ω 2を遅らせる。ここで、タイミング遅れ Atは、ダイクロイツクミラー 35と反射ミラー 36との間の間隔に対応する時間である。このように、第 1のミラーペア 21と第 2のミラーペア 31では、タイミング遅れ Atの大きさは同じである。また、第 1のミラーペア 21と第 2のミラーべァ 31では、タイミング遅れ Atは符号が正負反対である。ここで、第 1のミラーペア 21 によるタイミング遅れを Atとすると、第 2のミラーペア 31によるタイミング遅れは— At となる。

[0047] 第 2のミラーペア 31で反射した光ビームは、レンズ 32を介して、第 2の検出器 33に入射する。ここで、レンズ 32と第 2の検出器 33とは、レンズ 22と第 1の検出器 23と同様の構成を有している。すなわち、レンズ 32は、第 2のミラーペア 31において異なる位置で反射された第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とを集光する。そして、レンズ 32による集光位置に、第 2の検出器 33の受光面が配置されている。また、第 2の検出器 33は、第 1の検出器 23と同様に 2光子検出器である。従って、波長 λ 1のフオトンと、波長 λ 2のフオトンとの 2光子吸収に基づく第 2の検出信号を出力する。ここで、第 1の検出器 23と第 2の検出器 33とは同じタイプのフォトダイォードを用いることが好ましい。

[0048] なお、パルスレーザ光の繰り返し周波数は、 80MHzである。そのため、パルスレーザ光が入射する時間間隔は、第 1の検出器 23、第 2の検出器 33の応答速度に比べて十分速い。従って、第 1の検出器 23、及び第 2の検出器 33では、複数のパルスによって発生する 2光子吸収の平均値が検出信号として出力される。 [0049] このように、第 1のミラーペア 21では、第 1のパルスレーザ光 ω 1を遅らせ、第 2のミラーペア 31では、第 2のパルスレーザ光 ω 2を遅らせている。従って、 2本のタイミング調整用光ビームの一方では、第 1のパルスレーザ光 ω 1が遅れた状態で検出され、他方では、第 2のパルスレーザ光 ω 2が遅れた状態で検出される。すなわち、バランス相互相関器 20は、ビームサンプラー 15、 16で取り出された光ビームから、第 1のパルスレーザ光 _ω 1が第 2のパルスレーザ光 ω 2から遅れた第 1のタイミング調整用光ビームと、第 2のパルスレーザ光 ω 2が第 1のパルスレーザ光 ωから遅れた第 2のタイミング調整用光ビームとを生成する。そして、第 1のタイミング調整用光ビームを第 1 の検出器 23で検出し、第 2のタイミング調整用光ビームを第 2の検出器 33で検出する。そして、第 1の検出器 23からの第 1の検出信号と、第 2の検出器 33からの第 2の検出信号とは、図 1に示す差動アンプ (差動増幅器） 24に入力される。差動アンプ 24 は、第 1の検出信号と第 2の検出信号との差分を取る。そして、この差分に基づく差分信号を出力する。

[0050] ここで、パルスレーザ光の光強度と各信号について図 3Α〜図 5を用いて説明する。図 3Α、図 3Β、図 4Α、及び図 4Βは、時間によるパルスレーザ光強度の変化を示している。図 3Α、図 3Β、図 4Α、及び図 4Βはミラーペアによってタイミング遅れが生じた後の、光強度を示している。ここで、図 3Α、及び図 4Αは、第 1のミラーペア 21で反射されたノルスレーザ光の光強度を示し、図 3Β、及び図 4Βは、第 2のミラーペア 31 で反射されたパルスレーザ光の光強度を示している。以下の説明では、バランス相互相関器 20に入射する前のパルスレーザ光のずれをタイミングジッター τとして説明する。

[0051] ここで、図 3Α、及び図 3Βは、タイミングジッター τ =0の場合の光強度を示している。すなわち、図 3Α、及び図 3Βは、ノランス相互相関器 20に入射する前において、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが同期している場合の光強度を示している。図 4Α、及び図 4Βは、タイミングジッター τ力^でない場合の光強度を示している。すなわち、図 4Α、及び図 4Βは、ノランス相互相関器 20に入射する前において、第 2のパルスレーザ光 ω 2が第 1のパルスレーザ光 ω 1よりも遅れている場合の光強度を示している。ここで、パルスレーザ光の分布がガウシアンであるとして説明する。また、図 5は検出信号、及び差分信号を示す図である。

[0052] まず、図 3A、及び図 3Bを用いて、 τ =0の場合について説明する。すなわち、ミラ一ペア 21に入射する前において、第 1のパルスレーザ光 ω 1のピークタイミングと、第 2のパルスレーザ光 ω 2のピークタイミングは一致しているとして説明する。ここで、第 1のミラーペア 21で反射された第 1のタイミング調整用光ビームは、図 3Αに示すように、第 1のパノレスレーザ光 ω 1のピークタイミングは第 2のパノレスレーザ光 ω 2のピークタイミングよりも A tだけ遅れている。一方、第 2のミラーペア 31で反射された第 2のタイミング調整用光ビームは、図 3Bに示すように、第 2のパルスレーザ光 ω 2のピークタイミングは第 1のパルスレーザ光 ω 1のピークタイミングよりも A tだけ遅れている。

[0053] ここで、ミラーペアで反射された後の、ピークタイミングのずれ量を Δ dとする。ピークタイミングのずれ量 A dはタイミング遅れ A tと等しくなる。従って、第 1のミラーペア 21 によって生じる第 1のタイミング調整用光ビームのピークタイミングのずれ量 Δ dと、第 2のミラーペア 31によって生じる第 2のタイミング調整用光ビームのピークタイミングのずれ量 A dは一致する。図 3A、及び図 3B中に斜線で示されている第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが重なり合う面積は、第 1のタイミング調整用光ビームと第 2のタイミング調整用光ビームとで等しくなる。すなわち、第 1のパルスレ一ザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが同じガウシアンであるとすると、同じずれ量 Δ dだけ前後にずれているため、斜線で示す重複部分の面積が等しくなる。

[0054] ここで、 2光子検出器である第 1の検出器 23、及び第 2の検出器 33では、重複部分において、光強度の 2乗に比例した検出信号を出力する。よって、第 1の検出信号と第 2の検出信号とは等しくなる。第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが同期している場合、第 1の検出信号と第 2の検出信号とが同じ値となる。タイミングジッター τ力 SOの場合、差分信号は 0となる。

[0055] 次に、タイミングジッター τ力^でない場合について図 4Α、及び図 4Βを用いて説明する。ここでは、第 1のミラーペア 21に入射する前において、第 1のパルスレーザ光 ω 1に対して第 2のパルスレーザ光 ω 2が遅れて、る場合にっ、て説明する。この場合、図 4Α、及び図 4Β中に斜線で示されいる第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2との重なり合う面積が異なる。すなわち、第 2のミラーペア 31に入射する前における第 2のパルスレーザ光 ω 2の遅れ力第 2のミラーペア 31によって強調される。従って、図 4Βに示すように、第 2のミラーペア 31では、第 2のパルスレーザ光 ω 2がより遅れるため、重複部分の面積力、さくなる。一方、第 1のミラーペア 21に入射する前における第 2のパルスレーザ光 ω 2の遅れ力第 1のミラーペア 21によって打ち消される。従って、第 1のタイミング調整用光ビームにおけるピークタイミングのずれ量 A dは第 2のタイミング調整用光ビームよりも小さくなる。よって、図 4Aの斜線で示す重複部分の面積が大きくなる。

[0056] タイミングジッターが 0でない場合、差分信号は 0とはならない。そして、差分信号の値は、ノ《ランス相互相関器 20に入射する前のタイミングのずれによって、変化する。例えば、差分信号の正負によって、どちらのパルスレーザ光が遅れている力検出することができる。また、差分信号の大きさによって、どの程度のずれ量があるか測定することができる。ここで、第 1のミラーペア 21によるタイミング遅れ A tとタイミングジッタ一 τが完全に打ち消し合うとき、ずれ量 A d = 0となる。よって、第 1の検出信号は最大となる。一方、第 2のミラーペア 31によるタイミング遅れ一 A tとタイミングジッターてが完全に打ち消し合うとき、ずれ量 A d= 0となる。よって、第 2の検出信号は最大となる。

[0057] 上記の差分信号を S 、第 1の検出信号を S 、第 2の検出信号を S とするとこ

diff TPD1 TPD2 れらの信号は数式 1で示される

[数 1]

(,)g₂ (t - τ - At)dt

[0058] 数式 1では、 glは第 1のパルスレーザ光の強度、 g2は第 2のパルスレーザ光の強度、 tは時間とする。

[0059] ここで、差分信号 S 、第 1の検出信号 S 、及び第 2の検出信号 S は、図 5 diff TPD1 TPD2

示すようになる。図 5は、横軸がタイミングジッター τを示し、縦軸が信号強度を示している。また、図 5では、上力も順番に差分信号 S 、第 1の検出信号 S 、第 2の検出信号 S が示されている。ここで、差分信号 S =第 1の検出信号 S —第 2

TPD2 diff TPD1 の検出信号 S である。

TPD2

[0060] ここで、タイミングジッター τ =0のとき、差分信号 S 力となる。すなわち、第 1の

diff

検出信号 S =第 2の検出信号 S となるため、差分信号 S が 0となる。そして、

TPD1 TPD2 diff タイミングジッター τが Atに比べて十分大きい場合、検出信号の強度はほぼ 0となる。また、 τ =0の近傍では、 τが大きくなるにつれて、差分信号 S の強度が低くなつ

diff

ている。ここで、図 5の点線で挟まれた範囲では、タイミングジッター τに応じて、差分信号 S がほぼリニアに変化する。点線で挟まれた範囲では、差分信号 S に基づ diff diff いて、ずれの方向と大きさを測定することができる。すなわち、この範囲では、差分信号 s の強度がパルスレーザ光のずれに対応している。

diff

[0061] 第 1の検出信号 S は、ずれ量 A d=— 5psecの辺りでピークとなっている。このピ

TPD1

ーク位置は、第 1のミラーペア 21でのタイミング遅れ Atに相当する。ここで、第 1の検出信号 S がピークのとき、ずれ量 A d=0となる。すなわち、第 1のパルスレーザ光

TPD1

ω ΐと第 2のパルスレーザ光 ω 2のピークが一致している。そして、タイミングジッターてがピークの位置力離れていくにしたがって、第 1の検出信号 S の強度が低く

TPD1

なっていく。一方、第 2の検出信号 S は、タイミングジッター τ = + 5psecの辺りで

TPD2

ピークとなっている。ここで、第 2の検出信号 S がピークのとき、ずれ量 A d=0とな

TPD2

る。すなわち、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2のピークが一致している。そして、タイミングジッターてがピーク力離れていくにしたがって、第 2の検出信号 S の強度が低くなつていく。

TPD2

[0062] このように、差分信号 S がタイミングジッター τに応じてほぼリニアに変化する範

diff

囲がある。この範囲内でフィードバック制御することによって、容易にパルスレーザ光を同期させることができる。具体的には、 PLL制御で、差分信号 S 力 Sリニアに変化

diff

する範囲まで、タイミングジッター τを小さくする。そして、差分信号 S をフィードバッ

diff

ク制御部 41に入力する。フィードバック制御部 41は、例えば、デジタル PIDコント口ーラなどの演算処理装置を備えている。ここでは、差分信号 S を 0にするようフィー

diff

ドバック制御している。

[0063] フィードバック制御部 41は差分信号 S に基づいて第 2のノルスレーザ光源 12に

diff 取り付けられたタイミング調整手段 42を制御する。タイミング調整手段 42は、第 2のパルスレーザ光源 12の共振器長を変えるためのァクチユエ一タ等を備えている。フィードバック制御部 41は、タイミング調整手段 42に設けられたァクチユエータを駆動して、共振器長を変化させる。すなわち、タイミング調整手段 42のァクチユエ一タが駆動することによってキヤビティー長を制御することができる。よって、パルスレーザ光のタイミングが変化する。そして、差分信号 S を 0に近づけるよう、タイミング調整手段

diff

42を駆動する。差分信号 S の測定を一定周期で行い、この測定結果に応じてフィ

diff

ードバック制御が実行される。これにより、パルスレーザ光のタイミングを安定して同期させることができる。

[0064] 具体的には、第 2のパルスレーザ光 ω 2がタイミングジッター τによって遅れる場合、第 1の検出信号 S が大きくなり、第 2の検出信号 S が小さくなる。よって、差

TPD1 TPD2

分信号 S が正のとき、第 2のパルスレーザ光 ω 2に対して第 1のパルスレーザ光 ω 1

diff

を遅らせるよう制御する。これにより、タイミングジッターてを低減することができる。一方、第 1のパルスレーザ光 ω 1がタイミングジッターてによって遅れる場合、第 1の検出信号 S が小さくなり、第 2の検出信号 S が大きくなる。よって、差分信号 S

TPD1 TPD2 diff が負のとき、第 1のパルスレーザ光 ω 1に対して第 2のパルスレーザ光 ω 2を遅らせるよう制御する。これにより、タイミングジッターてを低減することができる。そして、タイミングジッターて =0のとき、差分信号 S =0でバランスする。差分信号 S 力 Sリニアに

diff diff

変化する範囲内では、差分信号 S の値をタイミングジッター τに換算することがで

diff

きる。そして、差分信号 s に基づいてパルスタイミングを調整する。

diff

[0065] 上記のフィードバック制御を行うことによって、タイミングジッター τを低減することができる。さらに、本実施の形態では、ローパスフィルター 43を介して差分信号 S をォ

diff シロスコープ 44で観測することで、タイミングジッターを測定している。ここで、帯域 15 OHzで、 lpsec程度であったタイミングジッター τを、フィードバック制御により 8fsec まで低減させることができる。このように、フィードバック制御を行うことによって、安定したパルスレーザ光の同期が可能となる。

[0066] なお、上記の説明では、パルスレーザ光を同期させる制御について説明した力本実施の形態は、これに限るものではない。例えば、ノルスレーザ光のタイミングがずれるよう制御してもよい。具体的には、ノルスレーザ光の入射タイミングのずれが一定となるよう制御することが可能である。この場合、差分信号 S を 0以外の値になるよう

diff

フィードバック制御を行う。この値は、入射タイミングのずれに応じた値となる。すなわち、差分信号 s が一定の値となるようフィードバック制御を行うことによって、入射タ

diff

イミングを制御することができる。さらに、入射タイミングが変化するように、制御してもよい。

[0067] このように、フィードバック制御を行っているため、常時、同期させることができる。よつて、波長走査によってタイミングジッターが生じる場合でも、容易に同期させることができる。従って、 CARS顕微鏡などの波長走査が必要な光学顕微鏡に好適である。もちろん、パルスレーザ光のタイミング調整装置は、 CARS顕微鏡に対する利用に限られるものではない。例えば、 2台のパルスレーザ光を利用した非線形分光に対しても利用することができる。具体的には、 2光子励起レーザ顕微鏡や、ポンププロ一ブ分光顕微鏡などに利用することが可能である。すなわち、上記のタイミング調整装置からのパルスレーザ光を照明光 (励起光）として試料に照射するレーザ光顕微鏡に好適である。

[0068] さらに、上記の説明では、第 1のミラーペア 21、及び第 2のミラーペア 31とによって、 2つのパルスレーザ光のうち 1つが遅れた第 1のタイミング調整用光ビームと、他方が遅れた第 2のタイミング調整用光ビームとを生成したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、上記の説明では、タイミングを遅延させるためのタイミング遅延手段として第 1のミラーペア 21と第 2のミラーペア 31とを用いた力本実施の形態は、これに限るものではない。例えば、図 6に示す構成のタイミング遅延手段 60を用いることができる。

[0069] 図 6に示すタイミング遅延手段 60では、合成する前のパルスレーザ光が入射されている。すなわち、第 1のパノレスレーザ光 ω 1と第 2のパノレスレーザ光 ω 2とが別々に入射されている。ここで、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とは、タイミング調整手段 60に入射する前の光路長を一致させている。

[0070] タイミング遅延手段 60は、ハーフミラー 6 la〜6 Idを 4つ備えている。これらをまとめてハーフミラー 61とする。ハーフミラー 61は、入射光の略半分を透過し、略半分を反射する。 4つのハーフミラー 6 la〜6 Id間は上下対称、及び左右対称に配置されている。例えば、 4つのハーフミラー 61a〜61dの中心が正方形の 4角にそれぞれ配置されている。また、対角に配置されたノヽーフミラー 6 laとハーフミラー 6 Idは、平行に配置されている。同様に、対角に配置されたノヽーフミラー 61bとハーフミラー 61cは、平行に配置されている。そして、ハーフミラー 61aとハーフミラー 61bとは直交する方向に配置されている。また、それぞれのハーフミラー 6 la〜6 Idは、パルスレーザ光 ω 1、 ω 2の光軸に対して 45° 傾いて配置されている。

[0071] 第 1のパルスレーザ光 ω 1は、まず、ハーフミラー 61aに入射する。ハーフミラー 61a は第 1のパルスレーザ光 ω 1の一部を透過し、一部を反射する。従って、第 1のノルスレーザ光 ω 1が分岐する。分岐された一方の光ビームは、ハーフミラー 6 lbに入射し、他方はハーフミラー 61cに入射する。ハーフミラー 6 lbに入射した第 1のパルスレ一ザ光 ω 1の一部はハーフミラー 61bを透過して、第 1の検出器 23に入射する。ハーフミラー 61cに入射した第 1のパルスレーザ光 ω ΐの一部はハーフミラー 61で反射され、第 2の検出器 33に入射する。

[0072] 一方、第 2のパルスレーザ光 ω 2は、まず、ハーフミラー 6 Idに入射する。従って、第 2のパルスレーザ光 ω 2は、第 1のパルスレーザ光 ω ΐと同様に、 2本に分岐される。ハーフミラー 61dによって分岐された一方の光ビームは、ハーフミラー 61bに入射し、他方はハーフミラー 61cに入射する。ハーフミラー 61bに入射した第 1のパルスレーザ光 ω 1の一部はハーフミラー 61で反射され、第 1の検出器 23に入射する。ハーフミラー 61cに入射した第 1のパルスレーザ光 ω ΐの一部はハーフミラー 61を透過して、第 2の検出器 33に入射する。

[0073] このように、ハーフミラー 61b、 61cによって、第 1のパノレスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが合成される。ここで、タイミング遅延手段 60には、透明板 63が設けられている。透明板 63は、ハーフミラー 61cと、ハーフミラー 61dとの光路中、及びノヽーフミラー 61aと、ハーフミラー 61bとの光路中に配置される。透明板 63は、例えば、透明なガラスなどで構成される。透明板 63は空気よりも屈折率が高い。従って、透明板 63と通過した光は、屈折率、及び透明板の厚さに応じた光路差が与えられる [0074] ハーフミラー 61aで反射され、ハーフミラー 61bに入射する第 1のパルスレーザ光 ω 1、及びハーフミラー 6 Idで反射され、ハーフミラー 61cに入射する第 2のパルスレーザ光 ω 2は、透明板 63を通過する。一方、ハーフミラー 61aを透過して、ハーフミラー 61cに入射する第 1のパルスレーザ光 ω 1、及びハーフミラー 61dを透過して、ハーフミラー 61bに入射する第 2のパルスレーザ光 ω 2は、ガラス板を通過せず、空気のみを伝播していく。従って、ハーフミラー 6 lb、 61cで合成される合成光では、パルスレーザ光にタイミング遅れ Δ tが生じる。このタイミング遅れ Δ tは透明板 63の材質、厚さ等に応じたものとなる。透明板 63としては、波長分散の小さい材質を用いることが好ましい。

[0075] 具体的には、ハーフミラー 61bでの合成光では、透明板 63を通過した第 1のパルスレーザ光 ω 1が、第 2のパルスレーザ光 ω 2よりも遅れる。一方、ハーフミラー 61cでの合成光では、透明板 63を通過した第 2のパルスレーザ光 ω 2が、第 1のパルスレーザ光 ω ΐよりも遅れる。従って、第 1の検出器 23は、第 2のノルスレーザ光 ω 2に対して第 1のパルスレーザ光 ω 1が遅れた第 1のタイミング調整用光ビームを受光する。一方、第 2の検出器 33は、第 1のパルスレーザ光 ω 1に対して第 2のパルスレーザ光 ω 2が遅れた第 2のタイミング調整用光ビームを受光する。ここで、第 1の検出器 23、及び第 2の検出器 33は、図 2で示したものと同様の 2光子検出器である。よって、図 2に示す構成と同様に、タイミングを調整することができる。

[0076] このように、図 6に示すタイミング遅延手段 60では、ダイクロイツクミラーを用いていないため、波長の近いパルスレーザ光に対してもタイミング遅延を生じさせることができる。すなわち、図 2に示す構成では、ダイクロイツクミラーを用いているため、調整可能な波長の差が、ダイクロイツクミラーの性能によって制限される。換言すると、ダイク口イツクミラーで分離することができないほど波長差が小さい場合、図 2に示す構成では、タイミングを遅延することができない。図 6に示す構成では、第 1のパルスレーザ光 ω 1と第 2のパルスレーザ光 ω 2とが別々の光路を伝播して、る状態で、タイミング遅延を生じさせている。これにより、より波長の近いパルスレーザ光を調整することができる。

[0077] 一方、図 2に示す構成では、光合成手段 14で合成した光ビームに対してタイミング遅延を発生させている。そのため、より確実にタイミングを調整することができる。すなわち、顕微鏡光学系 50に入射する合成光の一部を分岐しているため、バランス相互相関器 20の差分信号は合成光のタイミングジッター τを正確に反映している。換言すると、図 2に示す構成では、第 1のパルスレーザ光 ω ΐと第 2のパルスレーザ光 ω 2 とが異なる光路を通過することによって生じる光路長の微小なずれを排除することができる。これにより、正確にタイミングを調整することができる。

[0078] もちろん、タイミングを遅延するためのタイミング遅延手段は、図 2や、図 6に示す構成に限られるものではない。すなわち、ダイクロイツクミラーやノヽーフミラー、反射ミラ一などを組み合わせることによって、様々なタイプのタイミング遅延手段を構成することができる。例えば、図 6に示す構成において、透明板 63を設けずに、ハーフミラー 6 1の中心が長方形の 4角に配置することによって、タイミングを遅延させることができる。この場合、空気中の伝播距離が異なるため、光路差が生じる。このように、第 1のパルスレーザ光 _ω 1が第 2のパルスレーザ光 ω 2から遅れた第 1のタイミング調整用光ビームと、第 2のパルスレーザ光 ω 2が第 1のパルスレーザ光 ω 1から遅れた第 2のタイミング調整用光ビームとを生成する構成をタイミング遅延手段として用いればよい。そして、第 1のタイミング調整用光ビームを第 1の検出器 23で受光し、第 2のタイミング調整用光ビームを第 2の検出器 33で受光すれば、簡便な構成で正確なタイミング調整が可能となる。

[0079] さらに、群速度分散を持つ光学素子によってタイミング遅延手段を構成することも可能である。例えば、正の群速度分散を持つ光学素子は、波長の短い光を遅れさせることができる。一方、負の群速度分散を持つ光学素子は、波長の長い光を遅れさせることができる。従って、第 1のミラーペア 21の代わりに、正の群速度分散を持つ光学素子を配置し、第 2のミラーペア 31の代わりに負の群速度分散を持つ光学素子を配置すればよい。すなわち、正の群速度分散を持つ光学素子を介してビームサンブラ一によつて取り出された第 1のタイミング調整用光ビームを検出し、負の群速度分散を持つ光学素子を介して第 2のタイミング調整用光ビームを検出すればよい。このような群速度分散を持つ光学素子としては、光ファイバ一や、回折格子ペア等を用いることができる。 [0080] なお、ビームサンプラー 15、 16は図 1に示す構成に限られるものではない。たとえば、ビームサンプラー 15で取り出された光ビームをノヽーフミラーに入射させてもよい。この場合、ビームサンプラー 16は不要となる。ビームサンプラーは第 1のパルスレーザ光 ω 1の一部と、第 2のパルスレーザ光の一部とを取り出す構成であればよい。従つて、図 6に示したように、光合成手段 14で合成する前に光ビームを取り出してもよい。また、第 1のパルスレーザ光源 11、及び第 2のパルスレーザ光源 12は、ピコ秒パルスレーザ光に限られるものではない。例えば、フェムト秒パルスレーザ光源を用いることち可會である。

[0081] また、 2光子吸収に限らず、多光子吸収を用いてパルスレーザ光のタイミングを調整してもよい。すなわち、多光子吸収を検出する検出器力の検出信号によって、タイミングを調整してもよい。これにより、例えば、 3本以上のパルスレーザ光のタイミングを調整することができる。さらに、多光子吸収に限らず、非線形光学効果を用いてパルスレーザ光のタイミングを調整してもよい。すなわち、非線形光学効果を検出する検出器からの検出信号を用いてタイミングを調整してもよい。このように、第 1の検出器 23、及び第 2の検出器 33に多光子吸収に基づく検出信号を出力するものや、非線形光学効果に基づく検出信号を出力するものを用いてもよい。

[0082] さらには、図 6に示す構成を用いることによって、同じ波長のパルスレーザ光に対して、タイミングを調整することが可能となる。従って、光へテロダイン検波などのほとんど等しい波長のノルスレーザ光を合成する際にも、有効である。すなわち、第 1のパルスレーザ光と第 2のパルスレーザ光とを同じ波長にすることも可能である。この場合、図 6に示す構成に限らず、偏光状態の違いを用いて、 2つのパルスレーザ光の分離、合成を行なってもよい。例えば、第 1のパルスレーザ光と第 2のパルスレーザ光が直線偏光の場合、偏光ビームスプリッタなどを用いて、第 1のパルスレーザ光と第 2のパルスレーザ光を分離することができる。すなわち、図 1、図 2のダイクロイツクミラーの代わりに偏光ビームスプリッタなどを用いる。そして、偏光面の違いに応じて第 1のパルスレーザ光と第 2のパルスレーザ光とを合成、分離する。これにより、光合成手段によって合成されたパルスレーザ光が分離される。そして、分離されたパルスレーザ光の一方のタイミングを遅れさせた後、パルスレーザ光を合成する。すなわち、分離された第 1のパルスレーザ光と第 2のパルスレーザ光との間に光路長の差を設ける。これにより、第 1、及び第 2のタイミング調整用光ビームが生成される。そして、上記と同様の方法によってタイミングを調整する。このようにして光の時間、及び位置を合わせることによって、今後の高速光通信分野での利用が可能となる。このように、偏光ビームスプリッタ等を用いることによって、偏光状態の違いに応じてパルスレーザ光の分離、合成を行なうことができる。よって、同じ波長のパルスレーザ光のタイミングを調整することが可能となる。

さらに、偏光ビームスプリッタを用いずに、タイミングを遅延させることも可能である。例えば、バビネ補償板や液晶素子等の複屈折素子を用いて、タイミングを遅延させることができる。具体的には、直線偏光である第 1及び第 2のパルスレーザ光の偏光面を互いに直交させて、合成する。すなわち、第 1のパルスレーザ光の偏光面と第 2のパルスレーザ光の偏光面とが直交した状態で、 2本のレーザ光を重ね合わせて、 2本のタイミング調整用光ビームを生成する。そして、 2本のタイミング調整用光ビームのそれぞれを、例えば、バビネ補償板に入射させる。このバビネ補償板は、互いに直交する光学軸を有する 1対の光学くさびを有している。そして、一方の光学くさびをマイクロメータのネジによって移動させることにより、その光学くさびの光路長が変わる。また、他方の光学くさびは固定されており、その光路長は一定である。ここで、 1対の光学くさびの光学軸をそれぞれ第 1のパルスレーザ光又は第 2のパルスレーザ光の偏光面と一致させる。これにより、偏光状態の違いに基づいて、一方のパルスレーザ光のみ所定のタイミングだけ遅延させることができる。すなわち、 1対の光学くさびの光路長差に応じたタイミング遅延を 2本のパルスレーザ光に対して与えることができる。そして、 2枚のバビネ補償板の一方で第 1のパルスレーザ光を遅延させ、他方で第 2 のパルスレーザ光を遅延させる。このように 2本のパルスレーザ光の偏光状態の違!ヽによって、一方のパルスレーザ光のタイミングが遅れたタイミング調整用光ビームを生成することができる。よって、複屈折素子を用いることにより、第 1の第 1のパルスレーザ光と第 2のパルスレーザ光とを分離せずに、タイミング遅延を与えることが可能である。さらには、同じ波長のパルスレーザ光のタイミングを調整することが可能となる。産業上の利用可能性本発明によれば、容易にパルスレーザ光のタイミングを調整することができるため、

CARS顕微鏡、 2光子励起レーザ顕微鏡、ポンププローブ分光顕微鏡等の光学顕微鏡に適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整装置であって、

第 1のパルスレーザ光を出射する第 1のパルスレーザ光源と、

第 2のパルスレーザ光を出射する第 2のパルスレーザ光源と、

前記第 1のパルスレーザ光の一部、及び第 2のパルスレーザ光の一部を取り出すビームサンプラーと、

前記ビームサンプラーで取り出された光ビームから、前記第 1のパルスレーザ光が前記第 2のパルスレーザ光から遅れた第 1のタイミング調整用光ビームと、前記第 2のパルスレーザ光が前記第 1のパルスレーザ光力遅れた第 2のタイミング調整用光ビ一ムとを生成するタイミング遅延手段と、

前記第 1のタイミング調整用光ビームを受光する第 1の検出器であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第 1の検出信号を出力する第 1の検出器と、

前記第 2のタイミング調整用光ビームを受光する第 2の検出器であって、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第 2の検出信号を出力する第 2の検出器と、

前記第 1の検出器力の第 1の検出信号と前記第 2の検出器力の第 2の検出信号とに基づいて、前記第 1のノルスレーザ光源と前記第 2のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するタイミング調整手段とを備えるパルスレーザ光のタイミング調整装置。

[2] 前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを合成する光合成手段をさらに備え、

前記ビームサンプラーが前記光合成手段によって合成された合成光の一部を取り出し、

前記第 1のパルスレーザ光源が第 1の波長のパルスレーザ光を出射し、前記第 2のパルスレーザ光源が第 2の波長のパルスレーザ光を出射し、前記タイミング遅延手段が前記第 1の波長に対する反射率が前記第 2の波長に対する反射率よりも低!、ダイク口イツクミラーと、前記ダイクロイツクミラーを通過した前記第 1の波長のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成し、前記第 2の波長に対する反射率が前記第 1の波長に対する反射率よりも低!、ダイク口イツクミラーと、前記ダイクロイツクミラーを通過した前記第 2の波長のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第 2のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項 1に記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置。

[3] 前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを合成する光合成手段をさらに備え、

前記第 1のパルスレーザ光源が第 1の波長のパルスレーザ光を出射し、前記第 2のパルスレーザ光源が第 2の波長のパルスレーザ光を出射し、前記タイミング遅延手段が

正の群速度分散を有する第 1の光学素子によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成し、

負の群速度分散を有する第 2の光学素子によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項 1に記載のレーザ光のタイミング調整装置。

[4] 前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との偏光状態の違いに基づいて第 1のパルスレーザ光、又は第 2のパルスレーザ光を遅れさせることにより、前記第 1、及び第 2のタイミング調整用光ビームを生成する請求項 1に記載のパルスレ一ザ光のタイミング調整装置。

[5] 前記第 1の検出信号と前記第 2の検出信号との差分に基づく差分信号を出力する差動増幅器と、

前記差動増幅器力もの差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行う請求項 1乃至 4のいずれかに記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置。

[6] 請求項 1乃至 5のいずれかに記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置を備え、前記タイミング調整装置によってタイミングが調整された前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを試料に照射する光学顕微鏡。

[7] 複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整方法であって、

第 1のパルスレーザ光、及び第 2のパルスレーザ光を出射するステップと、前記第 1のパルスレーザ光の一部、及び前記第 2のパルスレーザ光の一部を取り出すステップと、

前記取り出された光ビームから、前記第 1のパルスレーザ光が前記第 2のパルスレ一ザ光力遅れた第 1のタイミング調整用光ビームと、前記第 2のパルスレーザ光が前記第 1のパルスレーザ光力遅れた第 2のタイミング調整用光ビームとを生成するステップと、

前記第 1のタイミング調整用光ビームを第 1の検出器に受光させて、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第 1の検出信号を出力するステップと、

前記第 2のタイミング調整用光ビームを第 2の検出器に受光させて、前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第 2の検出信号を出力するステップと、

前記第 1の検出信号と前記第 2の検出信号とに基づいて、前記第 1のパルスレーザ光源と前記第 2のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するステップとを有するパルスレーザ光のタイミング調整方法。

[8] 前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを合成するステップをさらに備え、

パルスレーザ光を出射するステップでは、第 1の波長の前記第 1のパルスレーザ光と、第 2の波長の前記第 2のパルスレーザ光を出射し、

前記取り出すステップでは前記第 1の波長のパノレスレーザ光と前記第 2の波長のパルスレーザ光とが合成された合成光の一部を取り出し、

前記タイミングを遅延するステップでは、

前記第 1の波長に対する反射率が前記第 2の波長に対する反射率よりも低!、ダイク口イツクミラーと、前記ダイクロイツクミラーを通過した前記第 1のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成し、前記第 2の波長に対する反射率が前記第 1の波長に対する反射率よりも低!、ダイク口イツクミラーと、前記ダイクロイツクミラーを通過した前記第 2のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第 2のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項 7 に記載のパルスレーザ光のタイミング調整方法。

[9] 前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光とを合成するステップをさらに備え、

前記タイミングを遅延するステップでは、

負の群速度分散を有する第 2の光学素子によって、前記第 1のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項 7に記載のレーザ光のタイミング調整方法。

[10] 前記第 1のパルスレーザ光と前記第 2のパルスレーザ光との偏光状態の違いに基づいて第 1のパルスレーザ光、又は第 2のパルスレーザ光を遅れさせることにより、前記第 1、及び第 2のタイミング調整用光ビームを生成する請求項 7に記載のパルスレ一ザ光のタイミング調整方法。

[11] 前記タイミングを調整するステップでは、

前記第 1の検出信号と前記第 2の検出信号との差分に基づく差分信号を出力し、前記差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行っている請求項 7乃至 1 0のいずれか〖こ記載のパルスレーザ光のタイミング調整方法。