WO2015198570A1

WO2015198570A1 - 固体レーザ装置及び光音響計測装置

Info

Publication number: WO2015198570A1
Application number: PCT/JP2015/003075
Authority: WO
Inventors: 和田　隆亜; 和弘広田; 村越　大
Original assignee: 富士フイルム株式会社
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2015-12-30

Abstract

【課題】固体レーザ装置及び光音響計測装置において、単一の波長のレーザ光を出射する動作モードで出射するある波長のレーザ光の出力と、複数波長のレーザ光を切り替えて出射する動作モードで出射する他の波長のレーザ光の出力との差を抑制する。【解決手段】制御回路（５３）は、固体レーザ装置（１０）の動作モードを、単一の波長のレーザ光を出射する一波長動作モードと、複数の波長のレーザ光を切り替えて出射する複数波長動作モードとの間で切り替える。複数波長動作モードで切り替えて出射する複数の波長には、一波長動作モードで出射するレーザ光の波長が含まれる。冷却装置（５０）は、レーザロッド（１１）の温度を制御する。冷却装置（５０）は、動作モードが複数波長動作モードのときのアレキサンドライトレーザロッドの温度を、一波長動作モードのときのアレキサンドライトレーザロッドの温度よりも高くする。

Description

固体レーザ装置及び光音響計測装置

　本発明は、固体レーザ装置に関し、更に詳しくは、複数の波長の光を出射可能な固体レーザ装置に関する。また、本発明は、そのような固体レーザ装置を含む光音響計測装置に関する。

　従来、例えば特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体に照射される。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、音響波が発生する。この音響波を超音波プローブなどで検出し、検出された信号（光音響信号）に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。光音響画像化方法では、特定の光吸収体において音響波が発生するため、生体における特定の組織、例えば血管等を画像化することができる。

　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７に、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(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脱酸素化ヘモグロビン（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。動脈の光吸収特性は、酸素化ヘモグロビンのそれに対応し、静脈の光吸収特性は、脱酸素化ヘモグロビンのそれに対応する。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化方法が知られている（例えば特許文献２参照）。

　複数波長の光を出射可能なレーザ光源を用いた光音響画像生成装置について、特許文献３には、波長選択スイッチを操作することで出射するレーザ光の波長を切り替えることが記載されている。波長選択スイッチはスライドスイッチであり、「７５０」、「８００」、及び「ＡＬＴ」の３つのスライド位置を持つ。波長選択スイッチのスライド位置が「７５０」の位置のときレーザ光源は波長約７５０ｎｍの光を出射し、スライド位置が「８００」のときレーザ光源は波長約８００ｎｍのレーザ光を出射する。波長選択スイッチのスライド位置が「ＡＬＴ」のときは、レーザ光源は波長約７５０ｎｍのレーザ光と波長約８００ｎｍのレーザ光とを交互に出射する。

　複数波長のレーザ発振が可能なレーザ媒質の１つとして、アレキサンドライト結晶が知られている。レーザ媒質にアレキサンドライト結晶を用いたレーザ装置（アレキサンドライトレーザ）は、発生するレーザの波長帯域が広く、高波長から低波長まで発生させることができる。共振器内に特定の波長を透過するフィルタを設け、Ｑスイッチを用いて増幅することで、特定の波長の短パルスレーザ光を取り出すことが可能である。

　アレキサンドライトレーザが記載された文献として、例えば特許文献４及び特許文献５がある。特許文献４には、アレキサンドライトレーザにおいて、波長７００ｎｍから波長８２０ｎｍの間では、高励起エネルギーを用いて、波長領域を、より長波長に或いは逆に短波長に延ばすことができると記載されている。この波長領域は温度に依存しており、高い温度ではより長い波長が、低い温度ではより短い波長が一般に得られる。特許文献４には、アレキサンドライトレーザが温度を任意の温度に維持する冷却手段を備えることが記載されている。

　特許文献５には、アレキサンドライトレーザにおいて、冷却水の温度によってレーザ光の増幅率を調整することが記載されている。特許文献５には、増幅されたレ－ザ光の強度をエネルギメータによって検出し、制御装置の設定値と検出した強度とを比較することが記載されている。その比較結果に基づいて温度調節器を駆動し、冷却水の温度を制御する。増幅率を決める誘導放出断面積には温度依存性があり、通常高温である程、増幅率が高くなる。従って、パルスレ－ザ光の増幅率を高くしたい場合には、冷却水の温度を上げればよく、逆に増幅率を低くしたい場合には冷却水の温度を下げればよい。

特開２００５－２１３８０号公報特開２０１０－０４６２１５号公報特開２０１２－１９６４３０号公報特公昭５８－０２４０３０号公報特開平７－２８３４６７号公報

　一般に、アレキサンドライトレーザの発生効率はアレキサンドライト結晶の温度に相関し、温度が高いほど効率が高い。従って、効率が低い波長領域、例えば８００ｎｍなどの長波長領域においては、レーザ光の出力強度を高めるために、冷却水の温度を高く設定することが一般的である。特許文献４及び特許文献５においても、所望の波長に合わせてアレキサンドライト結晶の冷却水の温度を変更する記述がみられる。

　しかしながら、特許文献４及び特許文献５に記載されるのは、ある一つの波長に合わせた冷却水温度の調整でしかない。特許文献３にあるように、単一の波長のレーザ光を出射する動作モードと、複数の波長のレーザ光を交互に出射する動作モードとを切り替える場合に、冷却水の温度をどのように制御するかについては記載されていない。特に、単一の波長のレーザ光を出射する動作モードにおいてある波長のレーザ光を出射し、複数波長のレーザ光を出射する動作モードにおいて、その波長と他の波長のレーザ光とを出射する場合で、他の波長のレーザ光の発光効率が単一波長のレーザ光を出射する動作モードで出射するレーザ光の波長の発光効率よりも低い場合において、動作モードを切り替えるときにアレキサンドライト結晶の温度をどのように制御すればよいかについては知られていなかった。

　本発明は、上記に鑑み、単一の波長のレーザ光を出射する動作モードにおいてある波長のレーザ光を出射し、複数波長のレーザ光を出射する動作モードにおいて、単一の波長のレーザ光を出射する動作モードで出射する波長のレーザ光の出力強度と、複数波長のレーザ光を出射する動作モードで出射する他の波長のレーザ光の出力強度との差を抑制することが可能な固体レーザ装置を提供することを目的とする。

　また、本発明は、上記固体レーザ装置を含む光音響計測装置を提供する。

　上記目的を達成するために、本発明は、アレキサンドライトレーザロッドと、アレキサンドライトレーザロッドに励起光を出射する励起光源と、アレキサンドライトレーザロッドから出射した光を共振させる共振器と、共振器から出射するレーザ光の波長を複数の波長の中から選択する波長選択手段と、単一の波長のレーザ光を出射する一波長動作モードと、一波長動作モードで出射するレーザ光の波長を含む複数の波長のレーザ光を切り替えて出射する複数波長動作モードとの間で動作モードを切り替える制御手段と、アレキサンドライトレーザロッドの温度を制御する温度制御手段とを備え、温度制御手段は、動作モードが複数波長動作モードの場合のアレキサンドライトレーザロッドの温度を、一波長動作モードの場合のアレキサンドライトレーザロッドの温度よりも高くする固体レーザ装置を提供する。

　本発明において、アレキサンドライトレーザロッドの、一波長動作モードで出射する波長のレーザ光の発光効率は、複数波長動作モードで切り替えて出射する複数の波長のうち、一波長動作モードで出射する波長以外の波長のレーザ光の発光効率よりも高くてもよい。

　本発明の固体レーザ装置は、選択する動作モードを示すモード選択信号を制御手段及び温度制御手段に送信するモード選択手段を更に有する構成としてもよい。その場合、制御手段は、モード選択手段から受信するモード選択信号に従って動作モードの選択を行い、温度制御手段は、モード設定手段から受信するモード選択信号に応じてアレキサンドライトレーザロッドの温度を制御することとしてもよい。

　あるいは、本発明の固体レーザ装置では、制御手段は、選択している動作モードを示す信号を温度制御手段に送信し、温度制御手段は、制御手段から受信する信号に応じてアレキサンドライトレーザロッドの温度を制御することとしてもよい。

　制御手段は、動作モードが複数波長動作モードの場合は、波長選択手段を駆動して、共振器において第１の波長、及びその第１の波長とは異なる第２の波長の光を切り替えて発振させてもよい。制御手段は、動作モードが一波長動作モードの場合は、波長選択手段を駆動して、共振器において第２の波長の光を発振させてもよい。

　本発明の固体レーザ装置は、アレキサンドライトレーザロッドから出射する光の光路上に第２の波長のレーザ光の出力強度を低下させる光学素子を更に有していてもよい。

　上記の固体レーザ装置において、制御手段は、動作モードが一波長動作モードの場合は上記の光学素子をアレキサンドライトレーザロッドから出射する光の光路の上から除去し、動作モードが複数波長動作モードの場合は上記の光学素子をアレキサンドライトレーザロッドから出射する光の光路上に挿入してもよい。

　上記の光学素子は、光拡散板であってもよい。

　共振器は、第１の波長を発振させるための第１の共振器と、第２の波長の光を発振させるための第２の共振器とを含んでいてもよい。

　第１の共振器を、アレキサンドライトレーザロッドを挟んで対向する第１のミラーと第２のミラーとを含むもので構成し、第２の共振器を、第１のミラーと、アレキサンドライトレーザロッド及び第２のミラーを挟んで第１のミラーと対向する第３のミラーとを含むもので構成してもよい。
　上記において、第２のミラーには、第１の波長の光を反射し、第２の波長の光を透過するもの用いるとよい。

　温度制御手段は、アレキサンドライトレーザロッドを冷却する冷却媒体の温度を制御することにより、アレキサンドライトレーザロッドの温度を制御してもよい。

　本発明は、また、上記本発明の固体レーザ装置と、レーザ光が被検体に出射されたときに被検体内で生じた光音響波を検出し音響波検出手段と、光音響波の検出信号に対して信号処理を行う信号処理手段とを備えたことを特徴とする光音響計測装置を提供する。

　本発明の固体レーザ装置及び光音響計測装置は、単一の波長のレーザ光を出射する動作モードにおいてある波長のレーザ光を出射し、複数波長のレーザ光を出射する動作モードにおいて、その波長と他の波長のレーザ光とを出射する場合に、単一の波長のレーザ光を出射する動作モードで出射する波長のレーザ光の出力強度と、複数波長のレーザ光を出射する動作モードで出射する他の波長のレーザ光の出力強度との差を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る固体レーザ装置を示すブロック図。動作モードとレーザロッドの温度との関係を示すタイミングチャート。レーザ光の波長とレーザ光の出力強度との関係を示すグラフ。本発明の第２実施形態に係る固体レーザ装置を示すブロック図。第２のミラーの透過率の波長特性を示すグラフ。本発明の固体レーザ装置を含む光音響計測装置を示すブロック図。酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの光波長ごとの分子吸収係数を示すグラフ。

　以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態の固体レーザ装置を示す。固体レーザ装置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、ミラー１４、１５、Ｑスイッチ１６、波長選択素子１７、光拡散板１８、冷却装置５０、制御回路５３、及びモード設定手段５４を備える。

　レーザロッド１１は、アレキサンドライト結晶から成るアレキサンドライトレーザロッドである。レーザロッド１１は、好ましくは直径が４ｍｍ以下、望ましくは３ｍｍ以下である。また、ロッド長は好ましくは６０ｍｍ以下、望ましくは５０ｍｍ以下である。

　フラッシュランプ１２は、励起ランプであり、レーザロッド１１を励起するための励起光を出射する。フラッシュランプ以外のランプをレーザロッド１１の励起に用いてもよい。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、直接にレーザロッド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。

　冷却装置５０は、冷却媒体を通じてレーザロッド１１の温度を制御する温度制御手段である。冷却装置５０は、配管５１、５２によりにレーザチャンバ１３に接続されている。冷却装置５０は、例えば純水などの冷却媒体を、配管５１を通じてレーザチャンバ１３に送り込む。冷却装置５０は、配管５２を通じてレーザチャンバ１３からの排水を受け取り、冷却媒体の温度を下げた上で、再びレーザチャンバ１３に送り込む。このように冷却媒体を循環させることで、レーザチャンバ１３内のレーザロッド１１の温度を所望の温度に保つことができる。

　ミラー１４、１５は、レーザロッド１１を挟んで対向しており、ミラー１４、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、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１５はアウトプットカプラー（ＯＣ：output coupler）であり、ミラー１４は高反射ミラーである。出力光であるレーザ光はミラー１５から出射する。

　共振器内には、Ｑスイッチ１６が挿入される。図１では、Ｑスイッチ１６は、レーザロッド１１とミラー１５との間の、レーザロッド１１から誘導放出された光の光路上に配置されている。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ポッケルスセルを含む。Ｑスイッチ１６は、ポッケルスセルへの印加電圧に応じて共振器のＱ値を変化させる。Ｑスイッチ１６は、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき共振器を低Ｑ状態にする。低Ｑ状態とは、共振器のＱ値がレーザ発振しきい値よりも低い状態を指す。第１の電圧は、例えばポッケルスセルを１／４波長板として働かせる電圧である。第１の電圧は正の電圧であっても、負の電圧であってもよい。一方、Ｑスイッチ１６は、印加電圧がＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき、共振器を高Ｑ状態にする。高Ｑ状態とは、共振器のＱ値がレーザ発振しきい値よりも高い状態を指す。第２の電圧は、例えば０Ｖ（電圧印加なし）であり、このときポッケルスセルを透過する光の偏光状態は変化しない。

　Ｑスイッチ１６には、レーザロッド１１側から偏光方向がある方向の直線偏光の光が入射する。Ｑスイッチ１６への印加電圧が第１の電圧のとき、ポッケルスセルは１／４波長板として働き、レーザロッド１１側からポッケルスセルへ入射した直線偏光の光は、ポッケルスセルを通過する際に円偏光となる。この円偏光の光はミラー１５で反射した後に１／４波長板として働くポッケルスセルを逆向きに通り、往路の偏光方向から偏光方向が９０°回転した直線偏光となる。この場合、共振器のＱ値は低く、レーザ発振は起こらない。

　Ｑスイッチ１６への印加電圧が０Ｖ（第２の電圧）のとき、レーザロッド１１側からポッケルスセルに入射した直線偏光の光は偏光状態を変化させずにミラー１５側へ透過し、ミラー１５で反射してポッケルスセルへ逆向きに入射する。この場合、共振器のＱ値は高く、レーザ発振が起こる。

　Ｑスイッチ１６は１／４波長板を含んでいてもよい。その場合は、上記とは逆に、ポッケルスセルへの印加電圧が０ＶのときがＱスイッチオフに対応し、印加電圧がポッケルスセルを１／４波長板として働かせる電圧としたときがＱスイッチオンに対応する。

　モード設定手段５４は、固体レーザ装置１０の動作モードを、単一の波長のレーザ光を出射する一波長動作モードと、複数の波長のレーザ光を切り替えて出射する複数波長動作モードとの間で切り替えて設定する。複数波長モードで切り替えて出射する複数の波長には、一波長動作モードで出射するレーザ光の波長が含まれる。以下では、主に、一波長動作モードでは７５５ｎｍのレーザ光を出射し、複数波長モードでは７５５ｎｍのレーザ光と８００ｎｍのレーザ光とを切り替えて出射するものとして説明する。

　レーザロッド１１の一波長動作モードで出射する波長のレーザ光の発光効率は、複数波長動作モードで切り替えて出射する複数の波長のうち、一波長動作モードで出射する波長以外の波長のレーザ光の発光効率よりも高い。すなわち、レーザロッド１１の波長７５５ｎｍの光の発光効率は、波長８００ｎｍの光の発光効率よりも高い。複数波長動作モードにおいて波長７５５ｎｍ及び波長８００ｎｍ以外の波長の光を出射する場合、波長７５５ｎｍ及び波長８００ｎｍ以外の波長の光の発光効率は、波長７５５ｎｍの光の発光効率よりも低い。

　モード設定手段５４には、ユーザから又は外部の装置から、一波長の光を出射させるか、複数波長の光を切り替えて出射するかを示す指示が入力される。モード設定手段５４は、選択する動作モードを示すモード選択信号を、冷却装置５０及び制御回路５３に送信する。

　波長選択素子１７は、共振器から出射するレーザ光の波長を複数の波長の中から選択する波長選択手段である。波長選択素子１７には、例えば８００ｎｍ以上の波長の光を透過させるロングパスフィルタを用いることができる。例えばロングパスフィルタの透過率が５０％となる波長をカットオフ波長と定義すると、波長選択素子１７には、波長８００ｎｍよりも少し短い波長をカットオフ波長とするロングパスフィルタを用いるとよい。ロングパスフィルタは、例えば、波長８００ｎｍ付近において、波長が８００ｎｍよりも短い波長範囲では全透過（光透過率ほぼ１００％）と呼べるほどは光透過率が高くなく、波長が８００ｎｍになると光がほぼ全透過すると言える光透過率の波長特性を有する。

　波長選択素子（ロングパスフィルタ）１７は、出射するレーザ光の波長が８００ｎｍのとき、共振器の光路上に挿入される。波長選択素子１７は、出射するレーザ光の波長が７５５ｎｍのとき、共振器の光路上から除去される。波長選択素子１７を駆動する手段には例えばモータなどを用いることができる。アレキサンドライトレーザロッドのレーザ利得は、波長７５５ｎｍ付近でピークとなり、波長７５５ｎｍ以外の波長範囲では、波長が長くなるにつれて、又は波長が短くなるにつれて低下していく。従って、波長選択素子１７を共振器の光路上から除去した状態でレーザ発振を行うと、共振器において波長７５５ｎｍの光を発振させることができる。一方、波長選択素子１７を共振器の光路上に挿入した状態でレーザ発振を行うと、ロングパスフィルタのカットオフ波長よりも短波長側では光共振器内の損失が大きいために実効利得が低く、実効利得が最大となるのは波長８００ｎｍ付近となり、共振器において波長８００ｎｍの光を発振させることができる。

　波長選択素子１７は、共振器において発振させる光の波長を複数の波長の中から選択できるものであればよく、ロングパスフィルタには限定されない。例えば所望の波長の光を透過させるバンドパスフィルタを波長選択素子１７として用いてもよい。あるいは、エタロン、又は複屈折フィルタなどを波長選択素子１７として用いてもよい。

　光拡散板１８は、波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度を低下させる光学素子である。ここで、レーザ光の出力強度とは、１パルス当たりのパワー、或いはフルーエンス（エネルギー密度）を指す。光拡散板１８は、レーザロッド１１から出射する光の光路上に配置される。光拡散板１８には、例えば圧力を掛けて焼結したセラミックス（透明セラミックスや、透明アルミナ）を用いることができる。あるいは、表面に細かい凹凸を有する石英ガラスを用いることができる。光拡散板１８とは異なる光学素子を、波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度を低下させる光学素子として用いてもよい。

　制御回路（制御手段）５３は、固体レーザ装置１０の制御を行う。制御回路５３は、モード設定手段５４から受信するモード選択信号に応じて、一波長動作モード又は複数波長動作モードを選択する。制御回路５３は、モード選択信号が一波長動作モードを示す信号であるときは一波長動作モードを選択し、モード選択信号が複数波長動作モードを示す信号であるときは複数波長動作モードを選択する。また、制御回路５３は、波長選択素子１７を駆動して、共振器において発振させる光の波長を制御する。

　制御回路５３は、一波長動作モードを選択したときは、波長選択素子１７を共振器の光路上から除去する。制御回路５３は、複数波長動作モードを選択したときは、出射するレーザ光の波長に応じて、波長選択素子１７を共振器の光路上から除去し、或いは波長選択素子１７を共振器の光路上に挿入する。制御回路５３は、例えば１パルスごとに、波長選択素子１７を共振器の光路上から除去し、或いは波長選択素子１７を共振器の光路上に挿入する。共振器の光路上に波長選択素子１７が挿入されるか否かに応じて、共振器において発振する光の波長が７５５ｎｍと８００ｎｍとの間で切り替えられる。

　制御回路５３は、選択した動作モードが複数波長動作モードであり、かつレーザ光の波長が７５５ｎｍのとき、光拡散板１８を、レーザロッド１１から出射する光の光路上に挿入する。制御回路５３は、選択した動作モードが複数波長動作モードであり、かつレーザ光の波長が８００ｎｍのときは、光拡散板１８を、レーザロッドから出射する光の光路上から除去する。制御回路５３は、選択した動作モードが一波長動作モードのときは、光拡散板１８を、レーザロッドから出射する光の光路上から除去してもよいし、光路上に挿入してもよい。光学素子が波長特性を有し、波長８００ｎｍの光をほぼそのまま透過させることができるものであれば、複数波長動作モードにおいて、光学素子を共振器の光路上から除去する必要はない。

　また、制御回路５３は、図示しない電源回路などを通じて、Ｑスイッチ１６への電圧印加、及びフラッシュランプ１２に対する電圧印加を制御する。制御回路５３は、Ｑスイッチ１６への印加電圧がポッケルスセルを１／４波長板として働かせる第１の電圧となっている状態でフラッシュランプ１２を点灯させる。フラッシュランプ１２の点灯後、レーザロッド１１における反転分布密度が十分に高くなるタイミングで、Ｑスイッチ１６への印加電圧を第１の電圧から第２の電圧（０Ｖ）に変化させる。共振器を低Ｑ状態から高Ｑ状態に急速に変化させることで、ジャイアントパルスが得られる。

　冷却装置５０は、モード設定手段５４から受信するモード選択信号に応じて冷却媒体の設定温度を変化させる。より詳細には、冷却装置５０は、動作モードが複数波長動作モードのときの設定温度を、動作モードが一波長動作モードのときの設定温度よりも高くする。例えば一波長動作モードのときの設定温度は４０～５０℃であり、複数波長動作モードのときの設定温度は６０℃～７０℃である。冷却媒体の設定温度が変化されることで、複数波長動作モードで動作するときのレーザロッド１１の温度が、一波長動作モードで動作するときのレーザロッド１１の温度よりも高くなる。

　上記では、モード設定手段５４が冷却装置５０及び制御回路５３にモード選択信号を送信することとしたが、制御回路５３がモード設定手段５４を含む構成でもよい。その場合、ユーザから又は外部の装置から入力される動作モードを指定する指示を制御回路５３に入力し、制御回路５３が、選択している動作モードを示す信号を冷却装置５０に送信してもよい。この場合、冷却装置５０は、制御回路５３から受信する信号に応じてレーザロッド１１の温度を制御すればよい。

　ここで、レーザの投入エネルギー、つまり励起のときに励起光源であるフラッシュランプ１２に投入するエネルギーについては、フラッシュランプ１２に電力を供給する電源部分のコストに直結し、全体の装置コストに大きく影響するため、２０Ｊ以下が好ましい。そのような低投入エネルギーで、所望の出力とパルス時間幅、例えばレーザの出力エネルギー１００ｍＪ以上、更に好ましくは１５０ｍＪ以上で、かつ、パルス時間幅１００ｎ秒以下、更に好ましくは６０ｎ秒以下を得るために、投入エネルギーに対する出力エネルギーの効率は０．００７５以上であることが好ましく、０．０１以上であることが更に好ましい。すなわち、投入エネルギーが２０Ｊであれば、１５０ｍＪ以上のレーザの出力エネルギーが得られることが好ましく、２００ｍＪ以上のレーザの出力エネルギーが得られることが更に好ましい。

　図２は、動作モードとレーザロッド１１の温度との関係を示す。レーザロッド１１の温度は、レーザロッド１１を冷却する冷却媒体の温度と同じであるとみなすことができる。時刻ｔ１までは、動作モードは一波長動作モードであり、冷却装置５０は、冷却媒体の温度が例えば４７℃になるように、冷却媒体の温度を調整する。時刻ｔ１で動作モードが二波長動作モードに切り替えられると、冷却装置５０は、設定温度を例えば７０℃に変更する。冷却媒体の温度は、ある勾配で変化していき、ある程度の時間の経過後に７０℃になる。以後、冷却装置５０は、冷却媒体の温度を７０℃に保つように、冷却媒体の温度を制御する。時刻ｔ２で動作モードが一波長動作モードに切り替えられと、冷却装置５０は、冷却媒体の温度設定を４７℃に戻す。

　図３は、レーザ光の波長とレーザ光の出力強度（１パルスあたりのパワー）との関係を示す。グラフ（ａ）は、レーザロッド１１の温度が４７℃のときのレーザ光の波長とレーザ光の出力強度との関係を示し、グラフ（ｂ）は、レーザロッド１１の温度が７０℃のときのレーザ光の波長とレーザ光の出力強度との関係を示す。レーザロッド１１の温度が４７℃のときと７０℃のときとの双方において、最も高い出力強度が得られる波長は７５５ｎｍである。レーザロッド１１の温度が４７℃のときと７０℃のときとを比較すると、波長７５５ｎｍにおいて、レーザロッド１１の温度が７０℃のときのレーザ光の出力強度は、温度が４７℃のときのレーザ光の出力強度に比べて高くなっている。

　波長８００ｎｍにおいて、レーザロッド１１の温度が４７℃のときのレーザ光の出力強度と温度が７０℃のときのレーザ光の出力強度とを比べると、レーザロッド１１の温度が７０℃のときのレーザ光の出力強度は、温度が４７℃のときのレーザ光の出力強度に比べて高くなっている。波長８００ｎｍにおけるレーザロッド１１の温度が４７℃のときと７０℃のときとのレーザ光の出力強度の差は、波長７５５ｎｍにおけるレーザ光の出力強度の差よりも大きい。別の言い方をすれば、波長７５５ｎｍに比べて、波長８００ｎｍの方が温度を上げたことによるレーザ光の出力強度の増加が大きい。

　仮に、レーザロッド１１の温度を４７℃とした状態で波長７５５ｎｍと波長８００ｎｍのレーザ光を切り替えて出射したとすると、波長７５５ｎｍでは２００ｍＪを超える出力強度が得られるのに対し、波長８００ｎｍでは１００ｍＪ程度の出力強度しか得られない（グラフ（ａ）を参照）。この場合、２つの波長のレーザ光の出力強度の差が大きく、例えば波長７５５ｎｍのレーザ光を出射して得られた信号と、波長８００ｎｍのレーザ光を出射して得られた信号とを信号処理する際に、レーザ光の出力強度の差を補正するなどの処理が必要になることも考えられる。一方、二波長を切り替えて出射する際にレーザロッド１１の温度を７０℃まで上げると、波長８００ｎｍのレーザ光の出力強度は１５０ｍＪを超え、波長７５５ｎｍとのレーザ光の出力強度の差を小さくできる（グラフ（ｂ）を参照）。

　複数波長動作モード時にレーザロッド１１の温度を上げると、複数波長動作モード時の波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度は、一波長動作モード時の波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度に比べて高くなる。これに対しては、複数波長動作モード時で、かつ、波長７５５ｎｍのレーザ光を出射するときに光拡散板１８を共振器の光路上に挿入することで、複数波長動作モード時の波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度を、一波長動作モード時の波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度と同等なレベルまで低下させればよい。あるいは、複数波長動作モード時の波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度を、波長８００ｎｍのレーザ光の出力強度と同等なレベルまで低下させればよい。

　本実施形態では、固体レーザ装置１０を複数波長動作モードで使用するときのレーザロッド１１の温度を、一波長動作モードで使用するときのレーザロッド１１の温度よりも高くする。一波長動作モードにおいて波長７５５ｎｍのレーザ光を出射し、複数波長動作モードにおいて波長７５５ｎｍのレーザ光と波長８００ｎｍのレーザ光とを切り替えて出射する場合、波長８００ｎｍの発光効率は波長７５５ｎｍの発光効率よりも低く、複数波長動作モード時のレーザロッド１１の温度を一波長動作モード時の温度と同じ温度に設定すると、双方の波長間のレーザ光の出力強度の差が大きくなる。本実施形態では、複数波長動作モード時にレーザロッド１１の温度を上げることで、特に波長８００ｎｍのレーザ光の出力強度を高めることができ、双方の波長間のレーザ光の出力強度の差を小さくすることができる。

　ここで、一波長動作モード時のレーザロッド１１の温度を、複数波長動作モード時のレーザロッド１１の温度と同じ温度（例えば７０℃）とすると、レーザチャンバ１３が常時高温となる。レーザチャンバ１３の温度が常に高温であると、何らかの熱対策が必要になる可能性がある。本実施形態では、一波長動作モードでは比較的低い温度で使用し、複数波長動作モードのときに温度を上げているため、レーザチャンバ１３が常時高温とはならず、常時高温とする場合に比べて、熱対策を簡略化できる。

　アレキサンドライトレーザにおいて、効率を意識して波長ごとにレーザロッド（冷却媒体）の温度を変更することは、例えば特許文献４及び特許文献５にも記載されている。しかしながら、これら文献には、動作モードとして、一波長を使う動作モードと複数波長を使う動作モードがあるときに、動作モードに応じて温度設定を変更することは記載されていない。また、複数波長の使用時に、複数の波長のうち、より効率が低い波長に合わせて温度設定を高くするという記載もない。１つの固体レーザ装置において、例えば一波長動作モードでは波長７５５ｎｍのレーザ光を出射し、複数波長動作モードでは波長７５５ｎｍと波長８００ｎｍとを切り替えて出射する場合に、複数波長動作モードにおけるレーザロッド１１の温度を一波長動作モードにおけるレーザロッド１１の温度よりも高くすることは、特に波長８００ｎｍの発光効率が低いため、その波長において発光効率を向上させるのに有効である。また、本実施形態は、切り替えて出射する２つの波長のレーザ光の出力強度の差を小さくできるため、２つの波長を近い出力強度で使用したい場合に有効である。

　複数波長動作モードにおいて、より効率が低い波長（８００ｎｍ）の発光効率を向上させるためにレーザロッド１１の温度を一波長動作モード時の温度よりも高くすると、発光効率が高い波長（７５５ｎｍ）においても発光効率が上がり、その波長のレーザ光の出力強度が一波長動作モード時の出力強度よりも大きくなる。本実施形態では、出射するレーザ光の波長が７５５ｎｍのときに、波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度を低下させる光拡散板１８を共振器の光路上に挿入することで、波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度と波長８００ｎｍのレーザ光の出力強度との差を小さくしている。特に、動作モードが複数波長動作モードで、かつ出射するレーザ光の波長が７５５ｎｍのときに光拡散板１８を共振器の光路上に挿入すれば、複数波長動作モードにおいて波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度が高くなることを是正できる。

　次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る固体レーザ装置を示す。本実施形態の固体レーザ装置１０ａは、レーザロッド１１、フラッシュランプ１２、第１のミラー１５、第２のミラー１４、第３のミラー２０、第１のＱスイッチ１６、第２のＱスイッチ２１、偏光子１９、１／４波長板２２、及び制御回路５３を有する。なお、図４においては、レーザチャンバ１３、冷却装置５０、及びモード設定手段５４（図１を参照）などを省略して図示している。

　第１のミラー１５、第２のミラー１４、及び第３のミラー２０は、レーザロッド１１の光軸上に沿って並べられている。第１のミラー１５と第２のミラー１４とは、レーザロッド１１を挟んで対向する。第３のミラー２０は、第２のミラー１４から見てレーザロッド１１とは反対側に配置され、レーザロッド１１及び第２のミラー１４を挟んで第１のミラー１５と対向する。

　第１のミラー１５は、波長８００ｎｍの光及び波長７５５ｎｍの光の出力ミラーである。第１のミラー１５の反射率は７０％以上であることが好ましい。第１のミラー１５の波長８００ｎｍの光に対する反射率は、波長７５５ｎｍの光に対する反射率よりも高い。例えば、第１のミラー１５の波長８００ｎｍの光に対する反射率は８０％であり、波長７５５ｎｍの光に対する反射率は７０％である。レーザ利得が低い波長８００ｎｍの光に対する反射率を高く設定することで、発振（投入）エネルギーしきい値が下がり、レーザ利得が増加する。これにより、パルスレーザ光の短パルス化が可能である。

　第２のミラー１４は、波長８００ｎｍの光を反射し、波長７５５ｎｍの光を透過する。図５は、第２のミラー１４の透過率の波長特性を示す。第２のミラー１４は、例えば８００ｎｍよりもわずかに短い波長にカットオフ波長を有するショートパスフィルタを含む。第２のミラー１４の波長８００ｎｍの光に対する透過率は０．２％以下であり、反射率は９９．８％以上である。第２のミラー１４の波長７５５ｎｍの光に対する透過率は９９．５％以上であり、反射率は０．５％以下である。図４に戻り、第３のミラー２０は、波長７５５ｎｍの光を反射する。第３のミラー２０の波長７５５ｎｍの光に対する反射率は例えば９９．８％以上である。

　レーザロッド１１から出射した光のうち、波長８００ｎｍの光は第２のミラー１４で反射し、第１のミラー１５と第２のミラー１４との間を往復する。第１のミラー１５と第２のミラー１４とにより、波長８００ｎｍの光を発振させる第１の共振器が構成される。一方、レーザロッド１１から出射した波長７５５ｎｍの光は第２のミラー１４を透過して第３のミラー２０で反射し、第１のミラー１５と第３のミラー２０との間を往復する。第１のミラー１５と第３のミラー２０とにより、波長７５５ｎｍの光を発振させる第２の共振器が構成される。第１の共振器の共振器長は、第２の共振器の共振器長よりも短い。第１のミラー１５から第２のミラー１４までの光路は、第１の共振器と第２の共振器とに共通の光路である。

　第１のＱスイッチ１６及び偏光子１９は、第１のＱ値変更部を構成する。第１のＱスイッチ１６及び偏光子１９は、第１の共振器と第２の共振器とに共通の部分に配置され、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を制御する。第１のＱスイッチ１６及び偏光子１９は、例えば第１のミラー１５とレーザロッド１１との間に配置される。これに代えて、レーザロッド１１と第２のミラー１４との間に第１のＱスイッチ１６及び偏光子１９を配置してもよい。第１のＱスイッチ１６は、印加電圧に応じて、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を変化させる。

　偏光子１９は、レーザロッド１１と第１のＱスイッチ１６との間に配置される。偏光子１９は、偏光方向がある方向の直線偏光のみを透過させる。偏光子１９には、例えば、偏光方向がある方向の直線偏光（偏光方向が第１の方向の直線偏光）を透過し、偏光方向がある方向に直交する方向の直線偏光（偏光方向が第２の方向の直線偏光）を反射するビームスプリッタを用いることができる。偏光子１９は省略してもよい。

　第１のＱスイッチ１６には例えばポッケルスセルが用いられる。第１のＱスイッチ１６は、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第１の電圧のとき第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態にする。第１の電圧は、例えばポッケルスセルを１／４波長板として働らかせる電圧である。第１の電圧は正の電圧であっても、負の電圧であってもよい。第１のＱスイッチ１６は、印加電圧がＱスイッチオンに対応した第２の電圧のとき、第１の共振器及び第２の共振器を高Ｑ状態にする。第２の電圧の絶対値は、例えば０Ｖ（電圧印加なし）であり、このとき第１のＱスイッチ１６を透過する光の偏光状態は変化しない。

　第１のＱスイッチ１６に第１の電圧が印加されるとき、第１のＱスイッチ１６は１／４波長板として働き、偏光子１９から第１のＱスイッチ１６に入射した偏光方向が第１の方向の直線偏光は、第１のＱスイッチ１６を通過して円偏光となり、第１のミラー１５で反射して第１のＱスイッチ１６に逆向きに入射する。第１のＱスイッチ１６に逆向きに入射した円偏光の光は、第１のＱスイッチ１６を通過する際に偏光方向が第２の方向の直線偏光となり、偏光方向が第２の直線偏光を反射する偏光子１９で反射して共振器の光路外へ放出される。一方、第１のＱスイッチ１６への印加電圧が０Ｖ（第２の電圧）のとき、偏光子１９から第１のＱスイッチ１６に入射した偏光方向が第１の方向の直線偏光は偏光方向を変えずに第１のＱスイッチ１６を透過し、第１のミラー１５で反射する。第１のミラー１５で反射した直線偏光は、偏光状態を変化させずに第１のＱスイッチ１６を透過し、偏光方向が第１の方向の直線偏光を透過する偏光子１９を透過してレーザロッド１１に入射する。

　第２のＱスイッチ２１及び１／４波長板２２は、第２のＱ値変更部を構成する。第２のＱスイッチ２１及び１／４波長板２２は、は、第２のミラー１４と第３のミラー２０との間に配置され、第２の共振器のＱ値を制御する。第２のＱスイッチ２１は、第２の共振器の光路上で、かつ第１の共振器の光路外に配置される。第２のＱスイッチ２１は、印加電圧に応じて第２の共振器のＱ値を変化させる。１／４波長板２２は、第２のＱスイッチ２１と第３のミラー２０との間に配置される。

　第２のミラー１４と第３のミラー２０の間には、光拡散板１８（図１を参照）が配置されていてもよい。光拡散板１８により、波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度と波長８００ｎｍのレーザ光の出力強度との差を小さくできる。光拡散板１８は、動作モードが一波長動作モードのときは、第２の共振器の光路上から除去されてもよい。第２のミラー１４の波長７５５ｎｍの光に対する透過率をほぼ１００％よりも低い透過率にしてもよい。その場合には、光拡散板１８を配置しなくても波長７５５ｎｍのレーザ光の出力強度と波長８００ｎｍのレーザ光の出力強度との差を小さくできる。

　第２のＱスイッチ２１には例えばポッケルスセルが用いられる。第２のＱスイッチ２１は、印加電圧がＱスイッチオフに対応した第３の電圧のとき第２の共振器を低Ｑ状態にする。第３の電圧は、例えば０Ｖ（電圧印加なし）であり、このとき第２のＱスイッチ２１を透過する光の偏光状態は変化しない。第２のＱスイッチ２１は、印加電圧がＱスイッチオンに対応した第４の電圧のとき第２の共振器を高Ｑ状態にする。第４の電圧は、例えばポッケルスセルを１／４波長板として働かせる電圧である。第４の電圧は、正の電圧であっても、負の電圧であってもよい。

　第２のＱスイッチ２１への印加電圧が０Ｖ（第３の電圧）のとき、レーザロッド１１側から第２のミラー１４を通して第２のＱスイッチ２１に入射した偏光方向が第１の方向の直線偏光は、第２のＱスイッチ２１を偏光状態を変化させずに通過し、１／４波長板２２を通過して円偏光となって第３のミラー２０で反射する。第３のミラー２０で反射した円偏光は、１／４波長板２２を逆向きに通って偏光方向が第２の方向の直線偏光となり、第２のＱスイッチ２１を偏光方向を変えずに通過してレーザロッド１１へ戻る。ここで、第２のミラー１４は波長８００ｎｍの光を反射し、波長７５５ｎｍの光を透過する。このため、第２のミラー１４と第３のミラー２０との間を進行する光は波長７５５ｎｍの光であり、波長８００ｎｍの光は第２のミラー１４から第３のミラー２０側には進行しない。

　一方、第２のＱスイッチ２１に第４の電圧が印加されるとき、第２のＱスイッチ２１は１／４波長板として働き、レーザロッド１１側から第２のミラー１４を通して第２のＱスイッチ２１に入射した偏光方向が第１の方向の直線偏光は、第２のＱスイッチ２１を通過する際に円偏光となり、更に１／４波長板２２を通過して偏光方向が第２の方向の直線偏光となって第３のミラー２０で反射する。第３のミラー２０で反射した光は、１／４波長板２２を逆向きに通って円偏光となり、更に第２のＱスイッチ２１を通過して偏光方向が第１の直線偏光となって、レーザロッド１１へ戻る。

　制御回路５３は、第１のＱスイッチ１６及び第２のＱスイッチ２１を駆動する。制御回路５３は、第１の共振器及び第２の共振器を、共振器のＱ値が発振しきい値よりも低い低Ｑ状態にする第１の駆動状態、第１の共振器及び第２の共振器を、共振器のＱ値が発振しきい値よりも高い高Ｑ状態にする第２の駆動状態、及び、第１の共振器を高Ｑ状態にし、かつ第２の共振器を低Ｑ状態にする第３の駆動状態の間で駆動状態を切り替える。制御回路５３は、フラッシュランプ１２の駆動も行う。

　制御回路５３は、第１の駆動状態では、第１のＱスイッチ１６に第１の電圧を印加して、第１のＱスイッチ１６を１／４波長板として働かせる。また、第２のＱスイッチ２１への印加電圧を０Ｖ（第３の電圧）とし、第２のＱスイッチ２１を通過する光の偏光状態を変化させない。第１のＱスイッチ１６が１／４波長板として働くことで、第１のミラー１５で反射した光はレーザロッド１１に入射しない。また、第２のＱスイッチ２１を通過する光の偏光状態を変化させないことで、第３のミラー２０で反射した波長７５５ｎｍの光を直線方向が第２の方向の直線偏光としてレーザロッド１１へ入射させる。その結果、第１の共振器及び第２の共振器は低Ｑ状態となり、波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍの双方について、レーザ発振が起こらない。なお、第１のＱスイッチ１６は第１の共振器と第２の共振器とに共通の光路上に配置されており、第１のＱスイッチ１６に第１の電圧を印加することで第２の共振器を低Ｑ状態にすることができる。このため、第１の駆動状態において、第２のＱスイッチ２１への印加電圧は特に第３の電圧には限定されず、第２のＱスイッチ２１に第４の電圧を印加し、第２のＱスイッチ２１を１／４波長板として働かせていてもよい。

　制御回路５３は、第２の駆動状態では、第１のＱスイッチ１６への印加電圧を０Ｖ（第２の電圧）とし、第１のＱスイッチ１６を通過する光の偏光状態を変化させない。また、第２のＱスイッチ２１に第４の電圧を印加して、第２のＱスイッチ２１を１／４波長板として働かせる。第１のＱスイッチ１６を通過する光の偏光状態を変化させないことで、第１のミラー１５で反射した光は偏光方向が第１の直線偏光としてレーザロッド１１に入射する。また、第２のＱスイッチ２１を１／４波長板として働かせることで、第３のミラー２０で反射した波長７５５ｎｍの光は偏光方向が第１の方向の直線偏光としてレーザロッド１１へ入射する。その結果、第１の共振器及び第２の共振器は高Ｑ状態となり、レーザ発振が起こる。波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍとでは、波長７５５ｎｍのレーザ利得の方が波長８００ｎｍのレーザ利得よりも高いため、発振波長はレーザ利得が高い７５５ｎｍとなる。

　制御回路５３は、第３の駆動状態では、第１のＱスイッチ１６への印加電圧を０Ｖ（第２の電圧）とし、第１のＱスイッチ１６を通過する光の偏光状態を変化させない。また、第２のＱスイッチ２１への印加電圧を０Ｖ（第３の電圧）とし、第２のＱスイッチ２１を通過する光の偏光状態を変化させない。第１のＱスイッチ１６を通過する光の偏光状態を変化させないことで、第１のミラー１５で反射した光は偏光方向が第１の方向の直線偏光としてレーザロッド１１に入射する。また、第２のＱスイッチ２１を通過する光の偏光状態を変化させないことで、第３のミラー２０で反射した波長７５５ｎｍの光を偏光方向が第２の方向の直線偏光としてレーザロッド１１へ入射させる。その結果、第１の共振器は高Ｑ状態で、かつ第２の共振器は低Ｑ状態となり、第１の共振器でレーザ発振が起こる。第１の共振器は波長８００ｎｍの共振器であり、発振波長は８００ｎｍとなる。

　制御回路５３は、レーザロッド１１の励起時は、第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部の駆動状態を第１の駆動状態とする。すなわち、第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態にしてフラッシュランプ１２を点灯し、レーザロッド１１の励起を行う。制御回路５３は、レーザロッド１１の励起後、発振波長が８００ｎｍのときは第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部の駆動状態を第１の駆動状態から第３の駆動状態へと変化させる。第３の駆動状態では、第１の共振器が高Ｑ状態で、かつ第２の共振器が低Ｑ状態であるため、発振波長は波長８００ｎｍとなる。第１の共振器を低Ｑ状態から高Ｑ状態へ急激に変化させることで、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を得ることができる。

　制御回路５３は、レーザロッド１１の励起後、発振波長が７５５ｎｍのときは第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部の駆動状態を第１の駆動状態から第２の駆動状態へと変化させる。このとき制御回路５３は、第２の共振器が高Ｑ状態となるように第２のＱ値変更部を駆動するのと同時に第１の共振器が高Ｑ状態となるように第１のＱ値変更部を駆動する。あるいは、第２の共振器が高Ｑ状態となるように第２のＱ値変更部を駆動した後に第１の共振器が高Ｑ状態となるように第１のＱ値変更部を駆動してもよい。第２の駆動状態では、双方の共振器が高Ｑ状態となるが、発振波長は、波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍとのうちでレーザ利得が高い７５５ｎｍとなる。第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態から高Ｑ状態へ急激に変化させることで、波長７５５ｎｍのパルスレーザ光を得ることができる。このように、制御回路５３が第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部を駆動することで発振波長を選択できるので、制御回路５３は波長選択手段を兼ねる。

　制御回路５３は、モード設定手段５４（図１を参照）から受信するモード選択信号が一波長動作モードを示す信号であるときは、第２の共振器において波長７５５ｎｍの光を発振させる。制御回路５３は、モード設定手段５４から受信するモード選択信号が複数波長動作モードを示す信号であるときは、第１の共振器において波長８００ｎｍの光を発振させ、第２の共振器において波長７５５ｎｍの光を発振させる。

　なお、第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部は、第１の共振器及び第２の共振器が共に高Ｑ状態、第１の共振器及び第２の共振器が共に低Ｑ状態、及び第１の共振器が高Ｑ状態で第２の共振器が低Ｑ状態の３つの状態を切り替えられればよく、第１のＱ値変更部及び第２のＱ値変更部の具体的な構成は上記したものには限定されない。例えば第１のＱ値変更部を、第２のＱ値変更部と同様に、ポッケルスセルと１／４波長板とを組み合わせたもので構成としてもよいし、第２のＱ値変更部を、第１のＱ値変更部と同様に、ポッケルスセルと偏光子とを組み合わせたもので構成してもよい。

　本実施形態では、第１のミラー１５と第２のミラー１４とで波長８００ｎｍの光を発振させる第１の共振器を構成し、第１のミラー１５と第３のミラー２０とで波長７５５ｎｍの光を発振させる第２の共振器を構成する。第１の共振器と第２の共振器とに共通の部分に第１のＱ値変更部を配置し、第２のミラー１４と第３のミラー２０との間に第２のＱ値変更部を配置する。第１のＱ値変更部を駆動することで、第１の共振器及び第２の共振器のＱ値を制御することができる。また、第２のＱ値変更部を駆動することで、第１の共振器及び第２の共振器のうち第２の共振器のＱ値のみを制御することができる。

　例えば、第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態としてレーザロッド１１の励起を行い、励起後に第１の共振器を高Ｑ状態に切り替え、かつ第２の共振器は低Ｑ状態のままとすることで、波長８００ｎｍをパルス発振させることができる。また、第１の共振器及び第２の共振器を低Ｑ状態としてレーザロッド１１の励起を行い、励起後に第１の共振器及び第２の共振器を高Ｑ状態とすることで、発光効率が高い波長７５５ｎｍをパルス発振させることができる。このような構成の固体レーザ装置１０ａにおいても、複数波長モード時のレーザロッド１１の温度を一波長動作モード時のレーザロッド１１の温度よりも高くすることで、波長間のレーザ光の出力強度の差を小さくすることができる。

　続いて、本発明の固体レーザ装置を含む光音響計測装置を説明する。図６は、本発明の固体レーザ装置を含む光音響計測装置を示す。光音響計測装置１００は、超音波探触子（プローブ）１０１と、超音波ユニット１０２と、レーザ光源ユニット（固体レーザ装置）１０とを備える。固体レーザ装置１０は、被検体に照射されるパルスレーザ光を出射する。固体レーザ装置１０は、二波長動作モードでは、第１の波長及び第２の波長のレーザ光を切り替えて出射する。固体レーザ装置１０は、一波長動作モードでは第２の波長のレーザ光を出射する。固体レーザ装置１０は、第１実施形態で説明したものであってもよいし、第２実施形態で説明したものであってもよい。

　例えば、第１の波長（中心波長）を約８００ｎｍとし、第２の波長を約７５５ｎｍとする。図７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(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)の波長７５５ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍ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脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の波長７５５ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍ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８００ｎｍ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、第１の波長と第２の波長の選択に関しては、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、上記した約７５５ｎｍと約８００ｎｍの組み合わせには限定されない。扱いやすさなどを考えると、選択される２つの波長は、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとで光吸収係数が同じになる波長約８００ｎｍ（正確には７９８ｎｍ）と、脱酸素化ヘモグロビンの光吸収係数が極大値となる波長約７５５ｎｍ（正確には７５７ｎｍ）との組み合わせが好ましい。第１の波長は、正確に７９８ｎｍである必要はなく、例えば７９３ｎｍ～８０２ｎｍの範囲にあれば実用上問題はない。また、第２の波長は、正確に７５７ｎｍである必要はなく、例えば極大値（７５７ｎｍ）付近のピークの半値幅である７４８～７７０ｎｍの範囲にあれば実用上問題はない。

　図６に戻り、固体レーザ装置１０から出射したレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１０１まで導光され、プローブ１０１から被検体に向けて照射される。レーザ光の照射位置は特に限定されず、プローブ１０１以外の場所からレーザ光の照射を行ってもよい。被検体内では、光吸収体が照射されたレーザ光のエネルギーを吸収することで超音波（光音響波）が生じる。プローブ１０１は、超音波検出器を含む。プローブ１０１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１０２は、信号処理手段であり、受信回路１２１、ＡＤ変換手段１２２、受信メモリ１２３、複素数化手段１２４、光音響画像再構成手段１２５、位相情報抽出手段１２６、強度情報抽出手段１２７、検波・対数変換手段１２８、光音響画像構築手段１２９、トリガ制御回路１３０、及び制御手段１３１を有する。受信回路１２１は、プローブ１０１が検出した光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段１２２は検出手段であり、受信回路１２１が受信した光音響信号をサンプリングし、デジタルデータである光音響データを生成する。ＡＤ変換手段１２２は、ＡＤクロック信号に同期して光音響信号のサンプリングを行う。

　ＡＤ変換手段１２２は、光音響データを受信メモリ１２３に格納する。ＡＤ変換手段１２２は、固体レーザ装置１０が二波長動作モードで動作するとき、固体レーザ装置１０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変換手段１２２は、被検体に第１の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１０１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の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１０１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。

　複素数化手段１２４は、受信メモリ１２３から第１の光音響データと第２の光音響データとを読み出し、何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する。以下では、複素数化手段１２４が、第１の光音響データを虚部とし、第２の光音響データを実部とした複素数データを生成するものとして説明する。

　光音響画像再構成手段１２５は、複素数化手段１２４から複素数データを入力する。光音響画像再構成手段１２５は、入力された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う。フーリエ変換法による画像再構成には、例えば文献”Photoacoustic Image Reconstruction-A Quantitative Analysis”Jonathan I.Sperl et al. SPIE-OSA Vol.6631 663103　等に記載されている従来公知の方法を適用することができる。光音響画像再構成手段１２５は、再構成画像を示すフーリエ変換のデータを位相情報抽出手段１２６と強度情報抽出手段１２７とに入力する。

　位相情報抽出手段１２６は、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を抽出する。本実施形態では、位相情報抽出手段１２６は、光音響画像再構成手段１２５で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、実部と虚部とを比較したときに、相対的に、どちらがどれくらい大きいかを示す位相情報を生成する。位相情報抽出手段１２６は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、θ＝ｔａｎ^－１（Ｙ／Ｘ）を位相情報として生成する。なお、Ｘ＝０の場合はθ＝９０°とする。実部を構成する第２の光音響データ（Ｘ）と虚部を構成する第１の光音響データ（Ｙ）とが等しいとき、位相情報はθ＝４５°となる。位相情報は、相対的に第２の光音響データが大きいほどθ＝０°に近づいていき、第１の光音響データが大きいほどθ＝９０°に近づいていく。

　強度情報抽出手段１２７は、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。本実施形態では、強度情報抽出手段１２７は、光音響画像再構成手段１２５で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、強度情報を生成する。強度情報抽出手段１２７は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２を、強度情報として抽出する。検波・対数変換手段１２８は、強度情報抽出手段１２７で抽出された強度情報を示すデータの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。

　光音響画像構築手段１２９は、位相情報抽出手段１２６から位相情報を入力し、検波・対数変換手段１２８から検波・対数変換処理後の強度情報を入力する。光音響画像構築手段１２９は、入力された位相情報と強度情報とに基づいて、光吸収体の分布画像である光音響画像を生成する。光音響画像構築手段１２９は、例えば入力された強度情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の輝度（階調値）を決定する。また、光音響画像構築手段１２９は、例えば位相情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の色（表示色）を決定する。光音響画像構築手段１２９は、例えば例えば位相０°から９０°の範囲を特定の色に対応させたカラーマップに用いて、入力された位相情報に基づいて各画素の色を決定する。

　ここで、位相０°から４５°の範囲は、第２の光音響データが第１の光音響データよりも大きい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５５ｎｍに対する吸収の方が大きい脱酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている静脈であると考えられる。一方、位相４５°から９０°の範囲は、第１の光音響データが第２の光音響データよりも大きい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５５ｎｍに対する吸収の方が小さい酸素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と考えられる。

　そこで、カラーマップとして、例えば位相が０°が青色で、位相が４５°に近づくに連れて無色（白色）になるように色が徐々に変化すると共に、位相９０°が赤色で、位相が４５°に近づくに連れて白色になるように色が徐々に変化するようなカラーマップを用いる。この場合、光音響画像上で、動脈に対応した部分を赤色で表わし、静脈に対応した部分を青色で表わすことができる。強度情報を用いずに、階調値は一定として、位相情報に従って動脈に対応した部分と静脈に対応した部分との色分けを行うだけでもよい。画像表示手段１０４は、光音響画像構築手段１２９が生成した光音響画像を表示画面上に表示する。

　制御手段１３１は、超音波ユニット１０２内の各部の制御を行う。制御手段１３１は、固体レーザ装置１０の動作モードを指示する信号を固体レーザ装置１０に送信する。例えばユーザはコンソールなどの入力手段を操作することで、固体レーザ装置１０をどちらの動作モードで動作させるかを入力する。動作モードを一波長動作モードとするときは、複素数化手段１２４、位相情報抽出手段１２６、及び強度情報抽出手段１２７の処理を省略し、通常の光音響画像の生成を行えばよい。

　トリガ制御回路１３０は、固体レーザ装置１０に、フラッシュランプ１２（図１を参照）の発光を制御するためのフラッシュランプトリガ信号を送信する。固体レーザ装置１０の制御回路５３は、フラッシュランプトリガ信号を受けるとフラッシュランプ１２を点灯し、フラッシュランプ１２からレーザロッド１１に励起光を照射させる。トリガ制御回路１３０は、フラッシュランプトリガ信号の送信後、制御回路５３にＱスイッチトリガ信号を送信する。

　トリガ制御回路１３０は、Ｑスイッチトリガ信号のタイミング、すなわちパルスレーザ光の出射タイミングに合わせて、ＡＤ変換手段１２２にサンプリングトリガ信号（ＡＤトリガ信号）を送信する。ＡＤ変換手段１２２は、サンプリングトリガ信号にと基づいて光音響信号のサンプリングを開始する。

　本発明の固体レーザ装置を含む光音響計測装置では、２つの波長で得られた第１の光音響データと、第２の光音響データとの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成し、その複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成している。このようにする場合、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成する場合に比して、再構成を効率的に行うことができる。複数の波長のパルスレーザ光を照射し、各波長のパルスレーザ光を照射したときの光音響信号（光音響データ）を用いることで、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、上記では、第１の光音響データと第２の光音響データとを複素数化する例について説明したが、複素数化せずに、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成してもよい。さらに、ここでは、複素数化して位相情報を用いて第１の光音響データと第２の光音響データの比を計算しているが、両者の強度情報から比を計算しても同様の効果が得られるまた、強度情報は、第１の再構成画像における信号強度と、第２の再構成画像における信号強度とに基づいて生成できる。

　光音響画像の生成に際して、被検体に照射されるパルスレーザ光の波長の数は２つには限られず、３以上のパルスレーザ光を被検体に照射し、各波長に対応する光音響データに基づいて光音響画像を生成してもよい。その場合、例えば位相情報抽出手段１２６は、各波長に対応する光音響データ間での相対的な信号強度の大小関係を位相情報として生成すればよい。また、強度情報抽出手段１２７は、例えば各波長に対応する光音響データにおける信号強度を１つにまとめたものを強度情報として生成すればよい。

　上記では、固体レーザ装置が光音響計測装置の一部を構成する例について説明したが、これには限定されない。本発明の固体レーザ装置を、光音響計測装置とは異なる装置に用いることも可能である。

　以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明のレーザ装置及び光音響計測装置は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

Claims

　アレキサンドライトレーザロッドと、
　前記アレキサンドライトレーザロッドに励起光を出射する励起光源と、
　前記アレキサンドライトレーザロッドから出射した光を共振させる共振器と、
　前記共振器から出射するレーザ光の波長を複数の波長の中から選択する波長選択手段と、
　単一の波長のレーザ光を出射する一波長動作モードと、該一波長動作モードで出射するレーザ光の波長を含む複数の波長のレーザ光を切り替えて出射する複数波長動作モードとの間で動作モードを切り替える制御手段と、
　前記アレキサンドライトレーザロッドの温度を制御する温度制御手段とを備え、
　前記温度制御手段は、動作モードが前記複数波長動作モードの場合の前記アレキサンドライトレーザロッドの温度を、前記一波長動作モードの場合の前記アレキサンドライトレーザロッドの温度よりも高くする固体レーザ装置。
　前記アレキサンドライトレーザロッドの、前記一波長動作モードで出射する波長のレーザ光の発光効率は、前記複数波長動作モードで切り替えて出射する複数の波長のうち、前記一波長動作モードで出射する波長以外の波長のレーザ光の発光効率よりも高い請求項１に記載の固体レーザ装置。
　選択する動作モードを示すモード選択信号を前記制御手段及び前記温度制御手段に送信するモード選択手段を更に有し、
　前記制御手段は、前記モード選択手段から受信するモード選択信号に従って動作モードの選択を行い、前記温度制御手段は、前記モード設定手段から受信するモード選択信号に応じて前記アレキサンドライトレーザロッドの温度を制御する請求項１又は２に記載の固体レーザ装置。
　前記制御手段は、選択している動作モードを示す信号を前記温度制御手段に送信し、該温度制御手段は、前記制御手段から受信する信号に応じて前記アレキサンドライトレーザロッドの温度を制御する請求項１又は２に記載の固体レーザ装置。
　前記制御手段は、前記波長選択手段を駆動して、動作モードが前記複数波長動作モードの場合は、前記共振器において第１の波長、及び該第１の波長とは異なる第２の波長の光を切り替えて発振させ、動作モードが前記一波長動作モードの場合は、前記共振器において前記第２の波長の光を発振させる請求項１から４何れか１項に記載の固体レーザ装置。
　前記アレキサンドライトレーザロッドから出射する光の光路上に、前記第２の波長のレーザ光の出力強度を低下させる光学素子を更に有する請求項５に記載の固体レーザ装置。
　前記制御手段は、動作モードが前記一波長動作モードの場合は前記光学素子を前記光路の上から除去し、動作モードが前記複数波長動作モードの場合は前記光学素子を前記光路上に挿入する請求項６に記載の固体レーザ装置。
　前記光学素子は光拡散板である請求項６又は７に記載の固体レーザ装置。
　前記共振器は、前記第１の波長を発振させるための第１の共振器と、前記第２の波長の光を発振させるための第２の共振器とを含む請求項１から８何れか１項に記載の固体レーザ装置。
　前記第１の共振器は、前記アレキサンドライトレーザロッドを挟んで対向する第１のミラーと第２のミラーとを含み、前記第２の共振器は、前記第１のミラーと、前記アレキサンドライトレーザロッド及び前記第２のミラーを挟んで前記第１のミラーと対向する第３のミラーとを含む請求項９に記載の固体レーザ装置。
　前記第２のミラーは、前記第１の波長の光を反射し、前記第２の波長の光を透過する請求項１０に記載の固体レーザ装置。
　前記温度制御手段は、前記アレキサンドライトレーザロッドを冷却する冷却媒体の温度を制御することにより、前記アレキサンドライトレーザロッドの温度を制御する請求項１から１１何れか１項に記載の固体レーザ装置。
　請求項１から１２何れか１項に記載の固体レーザ装置と、
　レーザ光が被検体に出射された場合に被検体内で生じた光音響波を検出し音響波検出手段と、
　前記光音響波の検出信号に対して信号処理を行う信号処理手段とを備えたことを特徴とする光音響計測装置。