WO2019187514A1 - レーザ装置、多波長レーザ装置及び光音響計測装置 - Google Patents

レーザ装置、多波長レーザ装置及び光音響計測装置 Download PDF

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laser
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crystal
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裕康 石井
和田　隆亜
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富士フイルム株式会社
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    • H01S3/2391—Parallel arrangements emitting at different wavelengths

Definitions

  • the present invention relates to a laser device, a multi-wavelength laser device, and a photoacoustic measuring device.
  • photoacoustic imaging As a kind of image inspection method capable of non-invasively inspecting the state inside a living body, photoacoustic imaging is known in which the inside of a living body is imaged using a photoacoustic effect.
  • a living body In general, in photoacoustic imaging, a living body is irradiated with pulsed light such as a laser pulse. Inside the living body that has been irradiated with the pulsed light, the living tissue that has absorbed the energy of the pulsed light undergoes volume expansion due to heat, and an ultrasonic wave (photoacoustic signal) is generated.
  • photoacoustic signal photoacoustic signal
  • Patent Document 1 in a laser device including an alexandrite crystal as a laser medium, in order to enable stable oscillation, a configuration including an uncoated Brewster-type polarizer, or light and polarization whose polarization direction is a predetermined direction A configuration including a Brewster polarizer having a separation film that separates light whose direction is orthogonal to a predetermined direction has been proposed.
  • FIG. 9 shows, for each light wavelength, oxygenated hemoglobin (oxy-Hb combined with oxygen) that is abundant in human arteries and reduced hemoglobin (deoxy-Hb that is not combined with oxygen) that is abundant in veins.
  • oxygenated hemoglobin oxygenated hemoglobin
  • deoxygenated hemoglobin corresponds to the light absorption characteristic of veins.
  • a photoacoustic image generation method in which a difference in optical absorptance according to the wavelength is used to irradiate a blood vessel portion with light of two different wavelengths, and an artery and a vein are distinguished and imaged. .
  • Patent Documents 2, 3, and 4 describe a two-wavelength laser device that can emit light of the above two wavelengths.
  • These laser devices include alexandrite as a laser crystal, and can oscillate at wavelengths of 755 nm and 800 nm.
  • Patent Document 1 makes no mention of wavelength selectivity.
  • Patent Document 2 in a laser device including an alexandrite crystal, a branching portion that branches an optical path by wavelength dispersion, a reflecting member that has wavelength selectivity that reflects a wavelength of 755 nm, and a reflection that has wavelength selectivity that reflects a wavelength of 800 nm A member is provided.
  • the laser device of Patent Document 2 can perform laser oscillation at a wavelength of 800 nm that is different from the wavelength of the maximum gain (755 nm) of the laser medium and the wavelength of the maximum gain.
  • the laser device provided with the alexandrite crystal of Patent Document 3 transmits a light having a wavelength of 800 nm with a high light transmittance of, eg, 99.8%, while inserting a long-pass filter that hardly transmits light having a wavelength of 755 nm in the optical path.
  • a wavelength switching unit is provided.
  • the laser device of Patent Document 3 can oscillate at a wavelength of 800 nm when the long-pass filter is inserted, and oscillate at a wavelength of 755 nm when the long-pass filter is not inserted.
  • the laser device of Patent Document 4 includes a Q value changing unit, a resonator for a wavelength of 755 nm, and a resonator for a wavelength of 800 nm. By changing the Q value, laser light oscillation of a wavelength of 755 nm and laser light of a wavelength of 800 nm are performed. And switching.
  • the cross-points of the absorption coefficients of the veins and arteries in FIG. It is preferable to perform measurement using light having a wavelength close to 800 nm.
  • FIG. 10 is a graph schematically showing the relationship between the oscillation wavelength and gain of the alexandrite crystal. As can be seen from this graph, the gain of the alexandrite crystal becomes maximum near the wavelength of 755 nm, and decreases as the wavelength becomes longer in the wavelength range exceeding the wavelength of 755 nm.
  • the gain of light with a wavelength of 800 nm is significantly lower than 755 nm, which is the maximum gain wavelength of the laser medium, and a large amount of power must be input to oscillate, leading to an increase in size and cost of the device.
  • the gain is not sufficient, the laser power when oscillating with light having a wavelength of 800 nm is reduced, and the signal-to-noise ratio (S / N ratio) of the signal that can be acquired is reduced when the photoacoustic image is captured. is there.
  • An object of the present invention is to provide a laser device, a multi-wavelength laser device, and a photoacoustic measurement device.
  • the laser device of the present invention includes a laser crystal, A resonator including a pair of mirrors sandwiching a laser crystal; A Q switch disposed on the optical path of the resonator for controlling the Q value of the resonator; A Brewster-type thin film polarizer disposed selectively on the optical path of the resonator and selectively transmitting p-polarized light;
  • the thin film polarizer has a p-polarized light transmittance of the first wavelength exhibiting the maximum gain of the laser crystal of 5% or more and 25% or less, and the p-polarized light transmittance monotonously increases as the wavelength becomes longer than the first wavelength, Having wavelength selectivity showing maximum transmittance at the third wavelength;
  • a laser beam having a second wavelength that is longer than the first wavelength and shorter than the third wavelength and whose p-polarized light transmittance in the thin film polarizer is 90% or more is oscillated.
  • the p-polarized light transmittance of the film polarizer may be 20% or less at the first wavelength and 95% or more at the second wavelength.
  • the wavelength difference between the first wavelength and the second wavelength is preferably less than 45 nm.
  • the wavelength difference between the first wavelength and the second wavelength is preferably 40 nm or less.
  • the gain at the first wavelength of the laser crystal is 1
  • the gain at the second wavelength is Z
  • the p-polarized light transmittance at the first wavelength of the thin film polarizer is X
  • p-polarized light transmittance at a wavelength of 2 is Y
  • 1 ⁇ X 2 ⁇ Z ⁇ Y 2 It is preferable to satisfy.
  • the gain of the laser crystal at the second wavelength is 0.7 or more.
  • the first wavelength is 755 nm ⁇ 5 nm and the second wavelength is 780 nm ⁇ 10 nm.
  • the laser crystal can be an alexandrite crystal.
  • the first wavelength is 800 nm ⁇ 5 nm and the second wavelength is 835 nm ⁇ 10 nm.
  • the laser crystal can be a titanium sapphire crystal.
  • the multi-wavelength laser device of the present invention includes a first laser unit that oscillates a first laser beam having a first wavelength, A second laser unit that oscillates a second laser beam having a second wavelength that is longer than the first wavelength; and A multiplexing unit that matches the optical paths of the first laser beam output from the first laser unit and the second laser beam output from the second laser unit;
  • the second laser unit is the laser device of the present invention.
  • the first laser unit is a laser apparatus including a non-coated Brewster polarizer instead of the Brewster thin film polarizer.
  • a first photoacoustic measuring device of the present invention includes the laser device of the present invention, A photoacoustic wave detection unit configured to detect a photoacoustic wave generated in the subject when the subject is irradiated with the laser beam having the second wavelength emitted from the laser device.
  • the second photoacoustic measuring device of the present invention includes the multi-wavelength laser device of the present invention, When the subject is irradiated with the first laser light emitted from the multi-wavelength laser device, the photoacoustic wave generated in the subject is detected, and the subject is irradiated with the second laser light emitted from the laser device.
  • a photoacoustic wave detector that detects a photoacoustic wave generated in the subject.
  • the laser device of the present invention has a Brewster type thin film polarizer in the resonator.
  • the p-polarized light transmittance of the first wavelength showing the maximum gain of the laser crystal is 5% or more and 25% or less, and the p-polarized light transmittance monotonously increases as the wavelength becomes longer than the first wavelength.
  • the laser light having the second wavelength in which the p-polarized light transmittance is 90% or more in the thin film polarizer which is longer than the first wavelength and shorter than the third wavelength is oscillated.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a gain curve in the case where the thin film polarizer 17 shown in FIG. 2 is provided in the alexandrite gain curve and the laser apparatus. It is a figure which shows the gain curve of alexandrite crystal. It is a figure which shows the gain curve of a titanium sapphire crystal. It is a figure which shows schematic structure of the multiwavelength laser of one Embodiment of this invention. It is a block diagram which shows the photoacoustic measuring device of 1st Embodiment containing a laser apparatus.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a laser apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the laser device 10 includes a laser rod 11, a flash lamp 12, a laser chamber 13, a pair of mirrors 14 and 15, a Q switch 16, and a Brewster type thin film polarizer 17.
  • the laser rod 11 is a laser medium in which a laser crystal is formed into a rod shape.
  • the laser device 10 oscillates a laser beam having a second wavelength longer than the first wavelength indicating the maximum gain of the laser crystal.
  • the second wavelength has a smaller gain than the first wavelength.
  • alexandrite crystal or titanium sapphire crystal can be used as the laser rod 11.
  • alexandrite crystal for example, alexandrite crystal or titanium sapphire crystal
  • the gain for laser oscillation of the alexandrite crystal peaks at a wavelength of about 755 nm (see FIG. 3).
  • the gain monotonously decreases as the wavelength becomes shorter in the wavelength range shorter than the wavelength 755 nm, and decreases monotonously as the wavelength becomes longer in the wavelength range longer than the wavelength 755 nm.
  • the flash lamp 12 is an excitation light source, and emits excitation light for exciting the laser rod 11.
  • the laser rod 11 and the flash lamp 12 are accommodated in a laser chamber 13.
  • the laser chamber 13 has a space for accommodating the laser rod 11 and the flash lamp 12 therein.
  • a reflection surface is formed inside the laser chamber 13, and the light emitted from the flash lamp 12 is directly applied to the laser rod 11, or reflected by the reflection surface and applied to the laser rod 11. .
  • the inside of the laser chamber 13 may be a diffuse reflection surface.
  • a light source other than the flash lamp 12 may be used as the excitation light source.
  • the mirrors 14 and 15 are opposed to each other with the laser rod 11 in between, and the mirrors 14 and 15 constitute a resonator.
  • the optical path in the optical resonator is not necessarily linear, and a prism or the like may be provided on the optical path between the mirrors 14 and 15 to bend the optical axis.
  • the mirror 14 is an output coupler (OC) and the mirror 15 is a total reflection mirror.
  • the reflectance of the mirror 14 is preferably 70% or more. Laser light that is output light is emitted from the mirror 14.
  • the Q switch 16 is disposed on the optical path of the resonator and controls the Q value of the resonator.
  • the Q switch 16 is disposed on the optical axis of the light stimulated and emitted from the laser rod 11 between the laser rod 11 and the mirror 14.
  • the Q switch 16 may be disposed between the laser rod 11 and the mirror 15.
  • the Q switch 16 changes the polarization state of the transmitted light according to the applied voltage.
  • a Pockels cell is used for the Q switch 16.
  • the Brewster type thin film polarizer 17 is disposed on the optical path of the resonator.
  • the thin film polarizer 17 is disposed between the laser rod 11 and the Q switch 16 in the resonator.
  • the thin film polarizer 17 may be disposed between the laser rod 11 and the mirror 15.
  • the thin film polarizer 17 has a glass plate 17a such as quartz glass or borosilicate glass and a thin film 17b.
  • the Brewster-type thin film polarizer 17 is obtained by arranging a glass plate 17a provided with a thin film 17b at a Brewster angle.
  • the thin film 17b is, for example, a dielectric multilayer film that exhibits high transmittance for p-polarized light and reflects s-polarized light.
  • FIG. 2 shows an example of wavelength characteristics of transmittance of the thin film polarizer 17.
  • the solid line indicates the p-polarized light transmittance
  • the broken line indicates the s-polarized light transmittance.
  • the thin film polarizer 17 has a p-polarized light transmittance X of 5% or more and 25% or less of the first wavelength ⁇ 1 that exhibits the maximum gain of the laser crystal, and becomes p-polarized as it becomes longer than the first wavelength ⁇ 1.
  • the transmittance monotonously increases, and has wavelength selectivity indicating the maximum transmittance T Max at the third wavelength ⁇ 3 .
  • the first wavelength ⁇ 1 is preferably a wavelength having a p-polarized light transmittance X of 20% or less. In the wavelength characteristic of the transmittance, if the wavelength of the p-polarized light transmittance of 5% to the fourth wavelength lambda 4, the relationship of ⁇ 4 ⁇ ⁇ 1.
  • the second wavelength ⁇ 2 that is the oscillation wavelength of the laser device 10 is longer than the first wavelength ⁇ 1 and not longer than the third wavelength ⁇ 3 , and the p-polarized light transmittance in the thin film polarizer.
  • Y is 90% or more. That is, the second wavelength ⁇ 2 is ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ ⁇ 3 and the transmittance Y is 90% ⁇ Y ⁇ T Max .
  • T max is 97% or more and less than 100%.
  • the second wavelength ⁇ 2 is preferably a wavelength having a transmittance Y of 95% or more. Most preferably, the second wavelength ⁇ 2 is a wavelength at which the transmittance Y exhibits the maximum value T max .
  • the inside region region from the wavelength lambda 4 lambda 3
  • the transmittance in the wavelength characteristics of the p-polarized light transmittance of the Brewster type thin film polarizer 17 is changed from the minimum value to the maximum value
  • the first wavelength ⁇ 1 and the second wavelength ⁇ 2 are located, and that ⁇ 4 ⁇ ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ ⁇ 3 .
  • the difference ⁇ between the first wavelength ⁇ 1 and the second wavelength ⁇ 2 is preferably less than 45 nm, more preferably 40 nm or less, and even more preferably 30 nm or less.
  • FIG. 3 schematically shows the wavelength characteristic of the gain of the alexandrite crystal.
  • the broken line is the gain curve of the alexandrite crystal.
  • the solid line is an effective gain curve when the laser device 10 includes the thin film polarizer 17 having the wavelength selectivity shown in FIG.
  • the gain of the alexandrite crystal is maximum at the first wavelength ⁇ 1 (here, 755 nm), and decreases as the distance from the first wavelength ⁇ 1 increases. Therefore, a small difference between the first wavelength ⁇ 1 and the second wavelength ⁇ 2 means that it is possible to oscillate at a wavelength with a larger gain.
  • the gain (maximum gain) at the first wavelength ⁇ 1 of the laser crystal is 1, the gain at the second wavelength ⁇ 2 is Z, and the p-polarized light transmittance of the thin film polarizer 17 at the first wavelength ⁇ 1 .
  • X is X
  • p-polarized light transmittance at the second wavelength ⁇ 2 is Y
  • X, Y and Z are 1 ⁇ X 2 ⁇ Z ⁇ Y 2 Meet.
  • the oscillation at the second wavelength ⁇ 2 is more dominant than the first wavelength ⁇ 1
  • laser oscillation is performed at the second wavelength ⁇ 2 .
  • the gain Z at the second wavelength ⁇ 2 of the laser crystal is preferably 0.7 or more. This is because the higher the gain of the second wavelength ⁇ 2, the higher the laser output can be obtained.
  • the gain curve has temperature dependency, but here, the gains for the first wavelength and the second wavelength are gains at a constant temperature.
  • the first wavelength is 755 nm and the second wavelength is 780 nm.
  • the laser apparatus 10 includes the Brewster-type thin film polarizer 17 that exhibits the maximum transmittance near 780 nm, so that most of light having a wavelength of less than 780 nm is the thin film polarizer 17. And is lost outside the resonator, the gain at wavelengths below 780 nm is greatly reduced.
  • the gain curve showing the maximum gain at the wavelength of 755 nm of the alexandrite crystal shows the effective gain curve showing the maximum gain at the wavelength of 780 nm.
  • the effective gain in the laser device 10 becomes maximum at the wavelength of 780 nm, laser oscillation can be performed at this wavelength of 780 nm.
  • the laser device 10 oscillates laser light with the wavelength of 780 nm as the second wavelength
  • the oscillation wavelength is not limited to 780 nm.
  • the wavelength of the laser light that is, the second wavelength
  • the wavelength is appropriately determined according to the light absorption characteristics of the absorber in the subject to be measured.
  • the wavelength is preferably a wavelength belonging to the near-infrared wavelength region.
  • the near-infrared wavelength region means a wavelength region of about 700 nm to 850 nm. As shown in FIG.
  • the wavelength characteristic of the molecular absorption coefficient differs between oxygenated hemoglobin and reduced hemoglobin.
  • a laser beam having a wavelength of about 800 nm that has the same molecular absorption coefficient.
  • the alexandrite crystal has a problem that the gain at a wavelength of 800 nm is very low, the laser output becomes low, and the SN ratio of an image that can be acquired is small.
  • the second wavelength may be appropriately selected within a range of ⁇ 10 nm, that is, a range of 770 nm or more and 790 nm or less. If the wavelength difference ⁇ with respect to the first wavelength of 750 nm is 20 nm or more, it is preferable because the photoacoustic wave can be detected in a range where the difference in luminance between the vein and the artery is relatively small.
  • FIG. 4 shows a gain curve obtained experimentally for the alexandrite crystal.
  • FIG. 4 shows gain curves described in "Tunable Alexandrite Lasers; Development Development and Performance", IEEE IEEE Journal of Electronics, Vol. QE-21, No. 10, and October 1985 by John C. Qalling, et.al. As shown in FIG. 4, the gain curve changes with temperature. In the case of an alexandrite crystal, the gain increases as the temperature increases, but the wavelength exhibiting the maximum gain is in the range of 755 nm ⁇ 5 nm.
  • the laser crystal used in the laser apparatus of the present invention is not limited to the alexandrite crystal.
  • a titanium sapphire crystal or the like may be used.
  • FIG. 5 shows an experimentally obtained gain curve for the titanium sapphire crystal.
  • FIG. 5 is described in “Spectroscopic and laser characteristics of Ti: Al 2 O 3 ” by P. F. Moulton et al., Journal of the Optical Society of America B, Vol. 3, Issue 1, pp. 125-133 (1986). It is a gain curve.
  • a gain curve is indicated by a broken line and indicated as GAIN.
  • a curve indicated by ⁇ is a p-polarized emission spectrum
  • a curve indicated by ⁇ is an s-polarized emission spectrum.
  • titanium sapphire shows a relatively broad gain curve like alexandrite. Titanium sapphire has the highest gain in the vicinity of a wavelength of 800 nm and preferentially oscillates, and has a relatively high gain on the long wavelength side. Therefore, for example, by using a Brewster thin film polarizer having a maximum value of p-polarized light transmittance in the vicinity of a wavelength of 835 nm, laser oscillation can be performed at a wavelength of 835 nm.
  • a Brewster thin film polarizer having a maximum value of p-polarized light transmittance in the vicinity of a wavelength of 835 nm
  • ⁇ 1 can be read as 800 nm and ⁇ 2 as 835 nm, and the wavelength characteristics of the p-polarized transmittance of the Brewster polarizer used in the case of titanium sapphire, the first wavelength, and the second wavelength The relationship is the same as in the case of alexandrite.
  • titanium sapphire preferably has a first wavelength exhibiting a maximum gain of 800 nm ⁇ 5 nm and a second wavelength selected in the range of 835 nm ⁇ 10 nm.
  • a Q switch Pockels cell shifts the phase of the light by a half wavelength, and this is lost outside the resonator by a polarizer, thereby causing a low Q value. And then oscillate with a high Q value.
  • This polarizer is required to have a sufficiently high extinction ratio (the ratio of p-polarized light to s-polarized light in the transmitted light).
  • Patent Document 1 a non-coated Brewster type polarizer or a Brewster type polarizer provided with a separation film for separating polarized light is used to prevent the antireflection coating of the laser rod and the Q switch from being destroyed. It is disclosed that it may be provided.
  • a Brewster-type thin film polarizer is used for selecting a wavelength that oscillates at a wavelength different from the maximum gain wavelength of the laser crystal. The purpose of use of the Brewster type thin film polarizer is different.
  • Patent Document 1 does not mention anything about the oscillation wavelength, and does not describe that a Brewster-type thin film polarizer can be used for wavelength control of the oscillation wavelength.
  • a wavelength selection element for wavelength selection is generally provided in the resonator as described in Patent Documents 2 to 4.
  • a wavelength selective reflection member is used as a mirror as a wavelength selection element, or a wavelength selection filter such as a band pass filter or a long pass filter is provided.
  • the laser device of this embodiment does not include any wavelength-selective optical element other than the Brewster type thin film polarizer.
  • Wavelength selection filters such as general bandpass filters and longpass filters have a wide transition wavelength range of 50 nm or more, which changes from the maximum transmittance to the minimum transmittance in the wavelength characteristics of transmittance. Therefore, when trying to oscillate at a wavelength longer than the maximum gain wavelength, it was only possible to oscillate at a wavelength that is at least 45 nm longer or shorter than the maximum gain wavelength. Fabrication of a wavelength selective filter having a transition wavelength region of 50 nm or less requires a complicated optical film design, which not only increases costs, but also increases the risk of damage to the optical film due to the multilayered optical film.
  • the laser device of the present invention includes a laser crystal, a resonator including a pair of mirrors that sandwich the laser crystal, a Q switch that is disposed on the optical path of the resonator, and controls the Q value of the resonator.
  • a Brewster-type thin film polarizer that selectively transmits p-polarized light and is disposed on the optical path of the resonator.
  • the thin film polarizer has a p-polarized light transmittance at a first wavelength that exhibits the maximum gain of the laser crystal of 5% or more and 25% or less, and the p-polarized light transmittance monotonously increases as the wavelength becomes longer than the first wavelength. It has wavelength selectivity that exhibits maximum transmittance at the third wavelength.
  • the laser device of the present invention oscillates a laser beam having a second wavelength that is longer than the first wavelength and not longer than the third wavelength, and the p-polarized light transmittance of the thin film polarizer is not less than 90%. To do.
  • the Brewster-type thin film polarizer has a very narrow transition wavelength width from the minimum value to the maximum value of the p-polarized light transmittance, and has a sharper p-polarized light transmittance than wavelength selective filters such as bandpass filters and longpass filters. Showing change. Accordingly, it is possible to select a wavelength closer to the first wavelength exhibiting the maximum gain, that is, a wavelength having a higher gain than the conventional wavelength, as the second wavelength that is the oscillation wavelength. For example, when an alexandrite crystal is used as the laser crystal, the second wavelength can be set to 780 nm, and the wavelength of the laser light having a wavelength different from the maximum gain wavelength as in the laser devices disclosed in Patent Documents 2 to 4.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a multi-wavelength laser apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-wavelength laser device 100 includes a first laser unit 20 that oscillates a first laser beam L 1 having a first wavelength, and a second laser beam L having a second wavelength that is longer than the first wavelength.
  • a multiplexing unit 30 that matches the optical paths is provided.
  • the second laser unit 10 is the laser device 10 according to the embodiment of the present invention. That is, the second laser unit 10 includes a laser rod 11, a flash lamp 12, a laser chamber 13, a pair of mirrors 14 and 15, a Q switch 16, and a Brewster-type thin film polarizer 17.
  • the second laser unit 10 oscillates a laser beam having a second wavelength (second laser beam L 2 ) that is longer than the first wavelength that indicates the maximum gain of the laser crystal.
  • the second wavelength has a smaller gain than the first wavelength. Details of each element are as described above.
  • the first laser unit 20 is a laser device having the same configuration as that of the second laser unit 10, and includes a non-coated Brewster type polarizer 27 instead of the Brewster type thin film polarizer 17. It is. That is, the first laser unit 20 includes a laser rod 11, a flash lamp 12, a laser chamber 13, a pair of mirrors 14 and 15, a Q switch 16, and a Brewster polarizer 27. Then, the first laser unit 20 oscillates a laser beam having a first wavelength (first laser beam L 1 ) indicating the maximum gain of the laser crystal.
  • the first laser beam L 1 is the wavelength 755 nm
  • the laser light L 2 of the second is the wavelength 780 nm.
  • the Brewster-type polarizer 27 is obtained by arranging a plain glass plate such as uncoated quartz glass or borosilicate glass at a Brewster angle.
  • “Non-coated” means that, at a minimum, it does not have a film that can be destroyed by light of high energy density, such as a film for separating p-polarized light and s-polarized light, an antireflection film, or a protective film. It does not need to be used and not have any membranes.
  • the polarizer 27 is non-coated as described above and does not have wavelength selectivity. Therefore, the first laser unit 20 oscillates at the first wavelength indicating the maximum gain of the laser rod 11.
  • the multiplexing unit 30 includes a mirror 31 that reflects the first laser light L 1 output from the first laser unit 20 and an optical path of the second laser light L 2 output from the second laser unit 10. , A half-wave plate 32 disposed on the polarizing plate, a polarizing beam splitter 33 that transmits the first laser light L 1 and reflects the second laser light L 2 , and the first and second laser lights L 1 and and a mirror 34 for reflecting the L 2.
  • the mirror 31 is arranged so that the first laser beam L 1 is incident at an incident angle of 45 °, and changes the optical path of the laser beam L 1 by 90 ° and reflects it toward the polarization beam splitter 33.
  • the 1 ⁇ 2 wavelength plate 32 shifts the phase of the laser light emitted from the second laser unit 10 by 1 ⁇ 2 wavelength, and converts the polarization of the laser light into a polarization orthogonal to the original polarization.
  • the laser light emitted from the first laser unit 20 and the second laser unit 10 is p-polarized light.
  • the second laser light L 2 becomes s-polarized light through the half-wave plate 32 and is reflected by the polarization beam splitter 33.
  • the laser rod 11 and the Brewster type thin film polarizer 17 are rotated by 90 ° with respect to the laser rod 11 and the Brewster type thin film polarizer 17 of the first laser unit 20. By arranging, the half-wave plate can be omitted.
  • the respective lasers are arranged so that the polarization directions of the first laser light L 1 output from the first laser unit 20 and the second laser light L 2 output from the second laser unit 10 are orthogonal to each other. If a rod and a polarizer are arranged, a half-wave plate is not necessary.
  • the polarization beam splitter 33 reflects s-polarized light and transmits p-polarized light. Accordingly, the first through the laser beam L 1, and reflects the second laser beam L 2 having a s-polarized light through the 1/2-wavelength plate. By the action of the polarization beam splitter 33, the first and second laser beams are output through the same optical path.
  • the first and second laser beams L 1 and L 2 are incident at an incident angle of 45 ° on the optical paths of the first laser beam transmitted through the polarization beam splitter 33 and the reflected second laser beam. It arrange
  • the multi-wavelength laser device 100 of the present embodiment can emit the second laser light L 2 having a wavelength of 780 nm alternately or simultaneously as the first laser light L 1 having a wavelength of 755 nm.
  • the multi-wavelength laser device 100 of the present embodiment is suitably used for a photoacoustic measurement device, for example.
  • a photoacoustic measurement device for example.
  • the molecular absorption coefficient at a wavelength of 755 nm of oxygenated hemoglobin contained in a large amount in human arteries is lower than the molecular absorption coefficient at a wavelength of 780 nm.
  • the molecular absorption coefficient at a wavelength of 755 nm of reduced hemoglobin contained in a large amount in veins is higher than the molecular absorption coefficient at a wavelength of 780 nm.
  • the photoacoustic signal from the artery and the vein are examined. From the photoacoustic signal. Alternatively, the oxygen saturation can be measured. Theoretically, any combination of two wavelengths may be used as long as there is a difference in the light absorption coefficient at the two selected wavelengths, and the combination is not limited to the above-described combination of 755 nm and 800 nm.
  • the first wavelength indicating the maximum gain of titanium sapphire is 800 nm.
  • the laser device when the laser device is applied to the photoacoustic measurement device and images a blood vessel without distinguishing between a vein and an artery, it is preferable to use laser light having a wavelength of about 800 nm.
  • a titanium sapphire crystal is provided as a laser rod, and a Brewster thin film polarizer is provided with a thin film polarizer having a maximum p-polarized light transmittance near a wavelength of 835 nm. .
  • the second laser unit including the Brewster-type thin film polarizer outputs laser light having a second wavelength near 835 nm.
  • the laser unit including the non-coated Brewster-type polarizer can output a first laser beam having a first wavelength of 800 nm.
  • the same effect as when using alexandrite crystals can be obtained.
  • the configuration in which the first laser device and the second laser device are arranged in parallel as the multi-wavelength laser device has been described.
  • the Brewster is provided in the resonator with one resonator.
  • a multi-wavelength laser device can be realized even with a polarizer exchange mechanism that allows exchange of a thin film type polarizer and a non-coated Brewster polarizer. In this case, by exchanging the polarizer on the optical path of the resonator, the laser device can selectively oscillate the first wavelength or the second wavelength according to the arranged polarizer.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the photoacoustic measurement apparatus of the present embodiment.
  • the photoacoustic measurement device 110 of this embodiment has a photoacoustic image generation function that generates a photoacoustic image based on, for example, a photoacoustic signal.
  • the photoacoustic measurement device 110 of the present embodiment includes an ultrasonic probe (probe) 111, an ultrasonic unit 112, and a laser unit that is the laser device 10 of the embodiment shown in FIG. 1. (Hereinafter referred to as a laser unit 10) and a display unit 114.
  • the laser unit 10 emits pulsed laser light that irradiates the subject.
  • the laser unit 10 is the laser device 10 described above, and outputs, as laser light, laser light having a second wavelength longer than the maximum gain wavelength of the alexandrite crystal constituting the laser rod 11 as measurement light L.
  • laser light having a wavelength of 780 nm is output.
  • the laser unit 10 is configured to output a laser beam in response to a trigger signal from the control unit 134 of the ultrasonic unit 112, for example.
  • the laser unit 10 preferably outputs pulsed light having a pulse width of 1 to 100 nsec as laser light.
  • the laser light output from the laser unit 10 is guided to the probe 111 by light guide means such as an optical fiber, and is irradiated from the probe 111 toward the subject.
  • the laser light irradiation may be performed from a place other than the probe 111.
  • an ultrasonic wave (acoustic wave) U is generated by absorbing the energy of the laser beam irradiated by the light absorber.
  • the probe 111 is a photoacoustic wave detection unit that detects a photoacoustic wave generated in the subject when the absorber in the subject absorbs the laser light.
  • the probe 111 has, for example, a plurality of ultrasonic detector elements (ultrasonic transducers) arranged one-dimensionally, and acoustic waves (in the subject) (with the one-dimensional ultrasonic transducer ( A photoacoustic signal) is detected.
  • the ultrasonic unit 112 includes a reception circuit 121, an AD conversion unit 122, a reception memory 123, a photoacoustic image generation unit 124, a display control unit 130, and a control unit 134.
  • the control unit 134 controls each unit of the photoacoustic measurement device 110, and includes a trigger control circuit (not shown) in the present embodiment.
  • the trigger control circuit sends an optical trigger signal to the laser unit 10 when the photoacoustic measurement device 110 is activated, for example.
  • the flash lamp is turned on, and the excitation of the laser rod is started. And the excitation state of a laser rod is maintained and the laser unit 10 will be in the state which can output a pulsed laser beam.
  • the control unit 134 transmits a Qsw trigger signal from the trigger control circuit to the laser unit 10. That is, the control unit 134 controls the output timing of the pulsed laser light from the laser unit 10 by this Qsw trigger signal.
  • the control unit 134 transmits the sampling trigger signal to the AD conversion unit 122 simultaneously with the transmission of the Qsw trigger signal.
  • the sampling trigger signal is a signal of the start timing of the photoacoustic signal sampling in the AD conversion unit 122. As described above, by using the sampling trigger signal, it is possible to sample the photoacoustic signal in synchronization with the output of the laser beam.
  • the receiving circuit 121 receives the photoacoustic signal detected by the probe 111.
  • the photoacoustic signal received by the receiving circuit 121 is transmitted to the AD converter 122.
  • the AD converter 122 samples the photoacoustic signal received by the receiving circuit 121 and converts it into a digital signal.
  • the AD converter 122 samples the photoacoustic signal received at a predetermined sampling period in synchronization with, for example, an AD clock signal having a predetermined frequency input from the outside.
  • the reception memory 123 stores the photoacoustic signal sampled by the AD conversion unit 122. Then, the reception memory 123 outputs the photoacoustic signal data detected by the probe 111 to the photoacoustic image generation unit 124.
  • the photoacoustic image generation unit 124 reconstructs data for one line by adding the photoacoustic data stored in the reception memory 123 to each other with a delay time corresponding to the position of the ultrasonic transducer.
  • the tomographic image (photoacoustic image) data is generated based on the photoacoustic data.
  • the photoacoustic image generation unit 124 may perform reconstruction by a CBP method (Circular Back Projection) instead of the delay addition method.
  • the photoacoustic image generation unit 124 outputs the photoacoustic image data generated as described above to the display control unit 130.
  • the display control unit 130 performs a predetermined display process on the photoacoustic image data, and displays the photoacoustic image on the display unit 114 such as a display device based on the photoacoustic image data subjected to the predetermined display process.
  • a plurality of photoacoustic images are acquired by the probe control unit 130 having a transducer array in which the probes 111 are two-dimensionally arranged or performing probe scanning, for example, based on those photoacoustic images.
  • Volume data can be created and a composite image can be displayed on the display unit 114 as a three-dimensional image.
  • the measurement target is hemoglobin in a living body (that is, when imaging blood vessels), in order to detect blood vessels without distinguishing between veins and arteries, both have the same molecular absorption coefficient.
  • laser light having a wavelength of about 800 nm it is preferable to use laser light having a wavelength of about 800 nm.
  • the alexandrite crystal has a problem that the gain at a wavelength of 800 nm is very low, the laser output becomes low, and the SN ratio of an image that can be acquired is small.
  • photoacoustic waves can be detected in a region where the signal difference between the veins and arteries is small and the gain of the alexandrite crystal is not as low as when the wavelength is 800 nm. Therefore, it is possible to acquire a blood vessel image with a good SN ratio.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the photoacoustic measurement apparatus 150 of the present embodiment.
  • the photoacoustic measurement device 150 of this embodiment has a photoacoustic image generation function that generates a photoacoustic image based on, for example, a photoacoustic signal.
  • the photoacoustic measuring device 150 of this embodiment includes a probe 111, an ultrasonic unit 112, and a laser light source unit (hereinafter referred to as a laser light source unit) that is the multi-wavelength laser device 100 of the embodiment shown in FIG. A light source unit 100), and a display unit 114.
  • the laser light source unit 100 emits multi-wavelength pulsed laser light that irradiates the subject.
  • the laser light source unit 100 is the multi-wavelength laser device 100 described above, and includes a first laser unit 20, a second laser unit 10, and a multiplexing unit 30.
  • the laser light source unit 100 includes, as laser light, a laser light having a first wavelength (first laser light) that is the maximum gain wavelength of the alexandrite crystal constituting the laser rod, and a second wavelength longer than the first wavelength.
  • Laser light (second laser light) is output as measurement light L.
  • the first wavelength is 755 nm and the second wavelength is 780 nm.
  • Laser light output from the laser light source unit 100 is guided to the probe 111 by light guide means such as an optical fiber, and is irradiated from the probe 111 toward the subject.
  • the first laser beam and the second laser beam are irradiated while being switched simultaneously or alternately.
  • the trigger control circuit first outputs a flash lamp trigger to the first laser unit 20 of the laser light source unit 100 in order to emit pulsed laser light having the first wavelength (755 nm).
  • the flash lamp is turned on in the first laser unit 20, the excited state of the laser rod is maintained, and the first laser unit 20 is ready to output pulsed laser light.
  • a Qsw trigger signal is transmitted from the trigger control circuit to the first laser unit 20. That is, the control unit 134 controls the output timing of the pulsed laser light from the first laser unit 20 by this Qsw trigger signal.
  • the laser light source unit 100 emits the first laser light.
  • the pulsed laser light having a wavelength of 800 nm emitted from the laser light source unit 100 is guided to the probe 111, for example, and irradiated from the probe 111 to the subject.
  • a photoacoustic signal is generated by absorbing the energy of the pulsed laser light irradiated by the light absorber.
  • the probe 111 detects a photoacoustic signal generated in the subject.
  • the photoacoustic signal detected by the probe 111 is received by the receiving circuit 121.
  • the trigger control circuit outputs a sampling trigger to the AD conversion unit 122 in accordance with the timing of the Q switch.
  • the AD converter 122 samples the photoacoustic signal received by the receiving circuit 121 at a predetermined sampling period.
  • the photoacoustic signal sampled by the AD conversion unit 122 is stored in the reception memory 123 as first photoacoustic data.
  • the trigger control circuit When the trigger control circuit is ready to receive the next photoacoustic signal, the trigger control circuit causes the second laser unit 10 of the laser light source unit 100 to emit a second laser beam having the second wavelength (780 nm). Outputs a trigger. Thereby, in the second laser unit 10, the flash lamp is turned on, the excited state of the laser rod is maintained, and the second laser unit 10 is in a state capable of outputting pulsed laser light. Then, a Qsw trigger signal is transmitted from the trigger control circuit to the laser unit 10. That is, the control unit 134 controls the output timing of the pulsed laser light from the laser unit 10 by this Qsw trigger signal. Accordingly, the laser light source unit 100 emits the second laser light.
  • the trigger control circuit outputs a sampling trigger to the AD conversion unit 122 in accordance with the timing of the Q switch.
  • the AD converter 122 samples the photoacoustic signal received by the receiving circuit 121 at a predetermined sampling period.
  • the photoacoustic signal sampled by the AD conversion unit 122 is stored in the reception memory 123 as second photoacoustic data.
  • the AD converter 122 stores the photoacoustic data in the reception memory 123.
  • the AD converter 122 stores photoacoustic data corresponding to each wavelength of the pulsed laser light emitted from the laser light source unit 100 in the reception memory 123. That is, the AD converter 122 samples the first photoacoustic data obtained by sampling the photoacoustic signal detected by the probe 111 when the subject is irradiated with the first laser light having the first wavelength, and the second photoacoustic data. Second photoacoustic data obtained by sampling the photoacoustic signal detected by the probe 111 when the second laser light having the wavelength is irradiated is stored in the reception memory 123.
  • the photoacoustic image generation unit 124 based on the first photoacoustic data and the second photoacoustic data stored in the reception memory 123, the relative signal intensity between the photoacoustic data corresponding to each wavelength is determined. Based on the magnitude relationship and the photoacoustic data corresponding to each wavelength, intensity information indicating the signal intensity is generated. And a photoacoustic image is produced
  • Oxyhemoglobin has greater absorption at a wavelength of 780 nm than absorption at a wavelength of 755 nm.
  • reduced hemoglobin has smaller absorption at a wavelength of 780 nm than absorption at a wavelength of 755 nm. Therefore, by comparing the first photoacoustic data and the second photoacoustic data, it is possible to specify whether the absorber is reduced hemoglobin or oxyhemoglobin. That is, for each measured blood vessel, it is possible to specify whether the vein is a blood mainly containing reduced hemoglobin or an artery where a blood mainly containing oxyhemoglobin is flowing.
  • the multi-wavelength laser device 100 as a laser light source unit, a photoacoustic signal (when a pulse laser beam having a plurality of wavelengths is irradiated on the subject and the pulse laser beam having each wavelength is irradiated)
  • a photoacoustic signal By using photoacoustic data, it is possible to perform functional imaging using the fact that the light absorption characteristics of each light absorber differ depending on the wavelength.
  • the laser rod may be composed of a titanium sapphire crystal instead of the alexandrite crystal.
  • the photoacoustic measurement can be performed by setting the wavelength of the first laser light to 800 nm and the wavelength of the second laser light to 840 nm.
  • the veins and the arteries are distinguished, for example, color-coded.
  • the photoacoustic image can be displayed on the surface.
  • ultrasonic waves are transmitted from the probe 111 to the subject and reflected based on the transmitted reflected acoustic wave signal.
  • You may comprise so that an acoustic wave image may be produced
  • the laser device or multi-wavelength laser device of the present invention can be used for a device different from the photoacoustic measuring device.
  • Laser device (second laser unit, laser unit) DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Laser rod 12 Flash lamp 13 Laser chamber 14, 15 Mirror which comprises a resonator 16 Q switch 17 Brewster type thin film polarizer 17a Glass plate 17b Thin film 20 1st laser unit 27 Uncoated Brewster type polarizer 30 Multiplexing Unit 31, 34 Mirror 32 1/2 wavelength plate 33 Polarizing beam splitter 100 Multi-wavelength laser device (laser light source unit) DESCRIPTION OF SYMBOLS 110,150 Photoacoustic measuring device 111 Probe 112 Ultrasonic unit 114 Display part 121 Reception circuit 122 Conversion part 123 Reception memory 124 Photoacoustic image generation part 130 Display control part 134 Control part L 1 1st laser beam L 2 2nd Laser light

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Abstract

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。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し、レーザ装置は、第１の波長よりも長く、かつ、第３の波長以下の第２の波長のレーザ光を発振する。

Description

レーザ装置、多波長レーザ装置及び光音響計測装置
　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 (13)

  1. 　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。
  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に記載のレーザ装置。
  11. 　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、請求項１から１０のいずれか１項に記載のレーザ装置であり、
    　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。
  12. 　請求項１から１０のいずれか１項に記載のレーザ装置と、
    　前記レーザ装置から出射した前記第２の波長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する光音響波検出部とを備えた光音響計測装置。
  13. 　請求項１１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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