WO2019220863A1 - 光パルス対生成装置、光検出装置、および光検出方法 - Google Patents

光パルス対生成装置、光検出装置、および光検出方法 Download PDF

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pulse
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三沢　和彦
輝将 伊藤
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国立大学法人東京農工大学
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Definitions

  • the present disclosure relates to an optical pulse pair generation device, an optical detection device, and an optical detection method, in particular, an optical pulse pair generation device that generates optical pulse pairs having time waveforms that are close to each other, and an optical detection device that detects Raman scattering using the optical pulse pair generation device And a light detection method.
  • the coherent Raman scattering microscope is known as an imaging technique that can image molecules existing in cells and tissues at high speed without staining.
  • the coherent Raman scattering microscope uses a nonlinear optical process such as Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) or Stimulated Raman Scattering (SRS).
  • CARS Coherent Anti-Stokes Raman Scattering
  • SRS Stimulated Raman Scattering
  • the coherent Raman scattering microscope is based on the signal level reflecting the information of molecular vibration obtained by detecting the Raman scattered light generated by the interaction between light and molecules in these nonlinear optical processes. It is an apparatus that draws a density distribution with a spatial resolution of a diffraction limit level of light (for example, 1 ⁇ m (micrometer) or less). For example, see Coherent Raman scattering microscopy, J.-X. Cheng and X. S. Xie Eds, (Taylor and Francis Books Inc., 2011).
  • coherent Raman scattering microscopes Conventionally, several methods are known as coherent Raman scattering microscopes. Among them, time-resolved coherent Raman scattering microscopes reduce background noise of cells and tissues themselves, and have specific frequencies possessed by small molecule drugs. It is attracting attention as a method that can detect the molecular vibration signal of a high-contrast signal. For example, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, “Time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy: Imaging based on Raman free induction decay,” Appl. Phys. Lett. 80, 1505- See 1507 (2002).
  • Spectral focusing is, for example, by applying the same amount of group delay dispersion (linear chirp) to two femtosecond pulses, and selectively exciting or probing Raman vibration peaks corresponding to their beat frequencies.
  • This is a technique for realizing microscopic light with high resolution. See, for example, T. Hellerer, A. M. K. Enejder and A. Zumbusch, “Spectral focusing: high spectral resolution spectroscopy with broad-bandwidth laser pulses,” Appl. Phys. Lett. 85, 25-27 (2004).
  • an excitation pulse for exciting molecular vibration and probe light delayed in time with respect to the excitation pulse for detecting the vibration are used.
  • a photodetection device is configured by simply combining a conventional time-resolved coherent Raman microscope and a spectrum condensing method, the spectral resolution is improved while the level of background noise called non-resonant background light also increases.
  • the molecular detection performance decreases.
  • This increase in background noise occurs because the light pulse spread to apply spectral focusing overlaps with another pulse that is separated in time. That is, when the excitation pulse is spread over time, it overlaps with the probe light, and when the probe pulse is widened, it overlaps with the excitation pulse. If the time delay is increased, the background noise can be suppressed, but the coherence of the molecular vibration is attenuated with a time constant of about 1 ps (picosecond), so that there is a problem that the detection sensitivity decreases as the probe delay is increased. That is, wave number resolution, background noise level suppression performance, and detection sensitivity are in a trade-off relationship with each other, and it is difficult to improve all performance.
  • a temporally asymmetric light pulse as a technique for avoiding background noise by suppressing the overlap of the excitation pulse and the probe pulse.
  • the idea is that it is possible to capture the vibration immediately after excitation while avoiding background noise due to superposition of pulses.
  • a temporally asymmetric pulse a high-order dispersion of the optical spectrum, that is, a spectral phase profile with a steep curve is required.
  • waveform shapers such as liquid crystal spatial light modulators, pixel resolution
  • there is a limit to the phase modulation dynamic range and it is generally difficult to reproduce such a steep phase change.
  • the present disclosure has been made in view of the background as described above, and a pulse pair generation device capable of generating a pair of temporally asymmetric pulses having approximate shapes and different center frequencies with a simple configuration, And a photodetection device and a photodetection method using the pulse pair generator, which have both high frequency resolution and high sensitivity.
  • the optical pulse pair generation device includes a first pulsed light and a second pulsed light each having a center wavelength of a predetermined wavelength difference and having substantially the same target time waveform.
  • An optical pulse pair generating device for generating an optical pulse pair including a branching unit that splits incident pulsed light into two, and shaping one pulsed light branched at the branching unit into the target time waveform and a center frequency
  • the first shaping unit that sets the first pulsed light and the other pulsed light branched by the branching unit is shaped into the target time waveform to be the second pulsed light.
  • a shaping unit is shaped into the target time waveform to be the second pulsed light.
  • the first shaping unit has a bandwidth corresponding to the target time waveform of the one pulsed light and the one pulsed light A first band-pass filter that is rotatable in a direction crossing a propagation direction; and a delay member that gives a variable time delay to the one pulsed light, wherein the second shaping unit includes the other pulsed light A second band-pass filter having a bandwidth corresponding to the target time waveform.
  • a wavelength scanning unit that scans the wavelength difference is configured by the first bandpass filter and the delay member.
  • the second pulsed light is temporally superimposed, and the wavelength scanning unit sets the wavelength difference according to a rotation angle of the first bandpass filter, and the second delay light sets the wavelength difference by the time delay of the delay member.
  • a time difference between the first pulsed light and the second pulsed light accompanying rotation of one bandpass filter is compensated.
  • the branching unit includes the second bandpass filter.
  • the first pulse light and the second pulse light have an asymmetric waveform in which a fall time is larger than a rise time. And is superimposed over time.
  • a light detection device includes the optical pulse pair generation device according to the first to fifth aspects, and includes excitation pulse light, first probe pulse light, and second probe pulse light.
  • a light detection device that performs light detection using a laser, wherein the first pulsed light is the first probe pulsed light, a laser light source that generates light source pulsed light, and the light source pulsed light is split into two A light source branching unit that makes the excitation pulse light and the incident pulse light, a modulation unit that phase-modulates the second pulse light to make a second probe pulse light, the excitation pulse light, and the first probe pulse
  • a combining unit that combines the light and the second probe pulse light to generate combined light, an irradiation unit that irradiates the sample with the combined light, and the combined light that is irradiated to the sample and the excitation pulse light Before excited molecular vibration
  • a detector for detecting with the heterodyne interference by the first probe pulse light and the second probe pulse light is intended to include.
  • the first probe pulse light and the second probe pulse light have an asymmetric waveform in which a fall time is larger than a rise time. And superimposed in time and delayed by a predetermined delay time from the excitation pulse light.
  • the excitation pulse light is polarized in advance, and the wavelength of the first probe pulse light and the second probe pulse light are Wavelengths are different and the irradiation unit includes a microscope, and the detection unit includes a polarizer that removes the excitation pulse light from the combined light after being irradiated on the sample, and the second probe pulse light.
  • An optical filter to be removed and a light receiving unit for receiving the first probe pulse light are provided.
  • the first shaping unit includes a wavelength scanning unit that scans the wavelength difference, and the wavelength scanning unit includes the target of the one pulsed light.
  • a first bandpass filter having a bandwidth corresponding to a time waveform and capable of rotating in a direction crossing the propagation direction of the one pulsed light, and a delay member that gives a variable time delay to the one pulsed light
  • the wavelength difference is set according to the rotation angle of the first bandpass filter, and the first probe pulse light and the first light accompanying the rotation of the first bandpass filter by the time delay of the delay member
  • a second bandpass filter having a bandwidth corresponding to the target time waveform and controlling the wavelength scanning unit to compensate for a time difference between the two probe pulse lights.
  • the modulation unit is configured to perform phase modulation with a sawtooth waveform modulation signal including a region where the phase changes linearly with respect to the second probe pulse light and a connection region where the phase difference changes sharply by 2 ⁇ . It further includes a control unit for controlling.
  • the control unit receives a light reception signal output from the light reception unit, and configures a lock-in amplifier by the light reception signal and the modulation signal.
  • the lock-in amplifier detects the amplitude-modulated signal applied to the first probe pulse light as a result of heterodyne interference as a signal corresponding to the stimulated Raman scattering signal.
  • the first bandpass filter imparts predetermined odd-order high-order dispersion to the first probe pulse light
  • the second The band-pass filter gives the predetermined odd-order high-order dispersion to the second probe pulse light.
  • a light detection method includes a laser light source that generates light source pulsed light, a first probe pulsed light having a predetermined waveform by exciting the light source pulsed light into three branches and excitation pulsed light.
  • a branching section that serves as a second probe pulse light, a first shaping section that shapes the first probe pulse light into the predetermined waveform and sets a center frequency, and the second probe pulse light
  • a second shaping unit for shaping into a predetermined waveform, a modulation unit for performing phase modulation on the second probe pulse light, the excitation pulse light, the first probe pulse light, and the second probe pulse light are combined.
  • a molecular vibration photodetection method using a photodetection device including a multiplexing unit that generates combined light and an irradiation unit that irradiates the sample with the combined light, wherein the center wavelength of the first probe pulse light is Above
  • the difference between the two probe pulse lights and the center wavelength is a wavelength difference corresponding to the frequency of the molecular vibration, and the predetermined waveform has substantially the same asymmetry with a fall time larger than a rise time.
  • the first probe pulse light and the second probe pulse light are temporally superimposed and delayed by a predetermined delay time from the excitation pulse light, and the combined light is converted into the sample by the detector. Is detected by using heterodyne interference caused by the first probe pulse light and the second probe pulse light.
  • a pulse pair generator capable of generating a pair of temporally asymmetric pulses having approximate shapes and different center frequencies with a simple configuration, and high frequency resolution using the pulse pair generator It is possible to provide a photodetection device and a photodetection method that are compatible with high sensitivity.
  • the light detection device 10 includes a light source 11, a pulsed light generation unit 50, and a microscope 25.
  • the light source 11 is a laser light source that generates excitation light and probe light for generating an SRS signal.
  • pulsed excitation light (excitation pulse light) and probe light (probe pulse light) are used, and the light source 11 generates light source pulse light Ps that is the source of these pulse lights.
  • femtosecond pulses are used as the light source pulse light Ps.
  • two probe lights, a local oscillation probe light and a phase modulation probe light are used.
  • the microscope 25 is a part that irradiates the sample with excitation light and probe light, and a light receiving unit 43 and a control unit 44 described later are connected to the latter stage.
  • the pulse light generation unit 50 generates the excitation pulse light Pe and two probe pulse lights, that is, the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp, using the light source pulse light Ps. Therefore, the laser light from the light source 11 is divided into three parts: excitation light Le, local oscillation probe light Ll, and phase modulation probe light Lp.
  • the light source pulsed light Ps and the excitation pulsed light Pe according to the present embodiment are ultrashort pulsed light. Further, the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp have an asymmetric waveform that rises quickly and falls slowly and are arranged so as to be delayed from the excitation pulse light Pe by a predetermined time.
  • the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp have substantially the same waveforms (waveforms approximate to each other) having different center wavelengths, and are superposed in time.
  • the local oscillation probe light Ll and the phase modulation probe light Lp may be collectively referred to as “probe light”
  • the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp may be collectively referred to as “probe pulse light”.
  • a band pass filter 18 and an end mirror 20 for waveform shaping are arranged in the optical path of the local oscillation probe light Ll.
  • a band pass filter 16 for waveform shaping is disposed along with the optical modulator 21 in the optical path of the phase modulation probe light Lp. Details of the waveform adjustment method of the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp will be described later.
  • the arrangement of the excitation pulse light Pe, the local oscillation probe pulse light Pl, and the phase modulation probe pulse light Pp shown in FIG. 1 schematically shows a snapshot on the spatial axis when the light is viewed from above. .
  • the light detection apparatus 10 includes a light source 11, a waveform shaping unit 12, a PBS (Polarizing Beam Splitter) 13, an excitation pulse light adjustment unit 40, a local oscillation probe pulse light adjustment unit 41, a phase.
  • the modulation probe pulse light adjustment unit 42, the microscope 25, the light receiving unit 43, and the control unit 44 are configured.
  • the light source 11 includes excitation light Le (excitation pulse light Pe), local oscillation probe light Ll (local oscillation probe pulse light Pl), and phase modulation probe light Lp (phase modulation probe pulse light) in the Raman scattering process.
  • Pp is a light source that generates light corresponding to each.
  • the optical path of the excitation light Le is as follows: light source 11 ⁇ PBS 13 ⁇ 1 ⁇ 4 wavelength plate 14 ⁇ end mirror 15 ⁇ 1 ⁇ 4 wavelength plate 14 ⁇ PBS 13 ⁇ mirror 29.
  • the optical path of the local oscillation probe light L1 is as follows: light source 11 ⁇ PBS 13 ⁇ band pass filter 16 ⁇ glass rod 17 ⁇ band pass filter 18 ⁇ 1 ⁇ 4 wavelength plate 19 ⁇ end mirror 20 ⁇ 1 ⁇ 4 wavelength plate 19 ⁇ band pass filter 18 ⁇ Glass rod 17 ⁇ band pass filter 16 ⁇ PBS 13 ⁇ mirror 29
  • the optical path of the phase modulation probe light Lp is as follows: light source 11 ⁇ PBS 13 ⁇ band pass filter 16 ⁇ optical modulator 21 ⁇ 1 ⁇ 4 wavelength plate 22 ⁇ end mirror 23 ⁇ 1 ⁇ 4 wavelength plate 22 ⁇ band pass filter 16 ⁇ PBS 13 ⁇ mirror 29.
  • the excitation light Le and the probe light are divided by the PBS 13, and the local oscillation probe light Ll and the phase modulation probe light Lp are separated by the bandpass filter 16. It is divided into.
  • an ultrashort pulse laser that generates broadband light source pulsed light Ps is used as the light source 11.
  • a near-infrared broadband femtosecond laser is used as an example of the light source 11. More specifically, as shown in FIG. 2, a titanium sapphire laser having a center wavelength of 790 nm is used as an example of the light source 11, and the pulse width is 15 fs (femtosecond).
  • the wavelength and pulse width of the light source 11 are not limited to these, and may be set to appropriate values according to the design content of the light detection device 10 and the like.
  • the light source pulsed light Ps emitted from the light source 11 is linearly polarized light in a predetermined direction.
  • the polarization mode of the light source pulsed light Ps is not limited to this, and may be, for example, circularly polarized light or elliptically polarized light.
  • the waveform shaping unit 12 is a part that compensates the light source pulsed light Ps to satisfy desired characteristics. That is, the waveform shaping unit 12 includes a dispersion compensation optical element (not shown), an SLM (Spatial Light Modulator), and the like, and the pulse width of the irradiation light under the objective lens 32 described later is the light source. 11 is appropriately compensated for dispersion so that the minimum value is 15 fs.
  • a dispersion compensation optical element a chirp mirror that gives a high reflectivity and negative second-order dispersion compensation is used by the dielectric multilayer film, and a liquid crystal spatial light modulator is used as an example of the SLM. Yes.
  • the PBS 13 is an optical element that divides the laser light generated by the light source 11 into excitation light Le and probe light (local oscillation probe light Ll and phase modulation probe light Lp).
  • the excitation pulse light adjusting unit 40 includes a quarter wavelength plate 14 and an end mirror 15.
  • the quarter-wave plate 14 is reflected by the PBS 13 by converting the excitation light Le into circularly polarized light and reflecting the reflected light by the end mirror 15 in a direction different from the polarization direction of the light source pulsed light Ps. I try to do it.
  • the end mirror 15 is movable in the optical axis direction of the excitation light Le, adjusts a delay time given to the excitation pulse light Pe, and sets a time difference from the probe pulse light.
  • the local oscillation probe pulse light adjustment unit 41 includes a glass rod 17 and a wavelength scanning unit 24, and the wavelength scanning unit 24 includes a band pass filter 18, a quarter wavelength plate 19, and an end mirror 20.
  • the function of the quarter-wave plate 19 is the same as that of the quarter-wave plate 14.
  • the glass rod 17 is an optical element that provides the local oscillation probe pulsed light Pl with a dispersion corresponding to the dispersion of the optical modulator 21 described later. The glass rod 17 does not need to be provided if the difference between the dispersion given to the local oscillation probe pulsed light Pl caused by the optical modulator 21 and the dispersion given to the phase modulated probe pulsed light Pp is not a problem. is not.
  • FIG. 2 ⁇ 1> shows details of the wavelength scanning unit 24.
  • the bandpass filter 18 is rotatable about a predetermined rotation axis C, and is a tunable filter that sets the center frequency of the local oscillation probe pulsed light Pl.
  • the end mirror 20 mainly compensates for variations in the delay of the local oscillation probe pulsed light Pl accompanying the rotation of the bandpass filter 18.
  • the wavelength scanning unit 24 is connected to a control unit 44 described later, and the band pass filter 18 and the end mirror 20 are controlled by the control unit 44. Details of control of the bandpass filter 18 and the end mirror 20 in setting the center wavelength of the local oscillation probe pulsed light Pl and adjusting the delay time will be described later.
  • the phase modulation probe pulse light adjustment unit 42 includes an optical modulator 21, a quarter wavelength plate 22, and an end mirror 23.
  • the optical modulator 21 is a phase modulator that phase-modulates the phase-modulated probe light Lp.
  • an EOM Electro Optical Modulator
  • the optical modulator 21 is connected to a drive circuit (not shown), and the drive circuit is connected to the control unit 44.
  • the optical modulator 21 applies phase modulation with a sawtooth waveform of 65 kHz to the phase modulation probe light Lp.
  • the sawtooth waveform in this case is desirably a waveform including a region where the phase changes linearly with respect to the phase modulation probe light Lp and a connection region where the phase difference changes sharply by 2 ⁇ .
  • the function of the quarter wavelength plate 22 is the same as that of the quarter wavelength plate 14.
  • the end mirror 23 adjusts the temporal arrangement relationship between the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp.
  • the delay is adjusted by the end mirrors 15, 20, and 23 will be described as an example. It is good also as a form using a line etc.
  • variable band-pass filters having the same band (band) width are used as the band-pass filters 16 and 18.
  • the design center frequency of the bandpass filter may be different.
  • the rotation angle of the bandpass filter is increased, the center wavelength of transmitted light is shifted to the high frequency side (short wavelength side).
  • a strong non-linear chirp is applied to each probe light when it passes through the band-pass filter twice.
  • the non-linear chirp includes third-order or higher-order odd-order dispersion (5th order, 7th order). This non-linear chirp is a requirement for making the time waveform of the probe pulse light asymmetric.
  • an example in which each of the bandpass filters 16 and 18 is configured as one band will be described as an example.
  • the present invention is not limited to this and may be combined to function as a single bandpass filter.
  • the dielectric multilayer bandpass filter can be used as an element for shaping the time waveform of a pulse.
  • the band-pass filters 16 and 18 used in the present embodiment are designed so that the shape of the spectrum (spectrum profile of the transmission wavelength band) does not change when the beam incident angle changes, that is, rotates. Is desirable. Furthermore, it is desirable that the transmission characteristics are designed not to depend on incident polarized light.
  • the linear chirp component (secondary dispersion) is further designed to be substantially the same. Therefore, as described above, the glass rod 17 having the second-order dispersion that is the same as the second-order dispersion of the optical modulator 21 used for applying the phase modulation is disposed in the local oscillation probe pulse light adjustment unit 41.
  • the “optical pulse pair generation device” includes the light source 11, bandpass filters 16 and 18, and end mirrors 20 and 23.
  • the first pulsed light (local oscillation probe pulsed light Pl) reflected by the end mirror 20 and the second pulsed light (phase modulated probe pulsed light Pp) reflected by the end mirror 23 are combined by the bandpass filter 16.
  • the optical pulse pair according to the present embodiment is configured.
  • the optical pulse pair generation device according to the present embodiment is a device that generates pulse pairs having substantially the same (similar to each other) time waveforms.
  • the photodetection device according to the present embodiment uses a pulse pair having an asymmetric time waveform generated by the optical pulse pair generation device, thereby avoiding background noise and coherently achieving both high frequency resolution and high sensitivity. Raman spectroscopy can be realized.
  • the bandpass filters 16 and 18 are used not only as wavelength selection elements but also as waveform shaping elements for generating asymmetric pulses, and by combining the rotation mechanism of the bandpass filter 18 and a compensation mechanism for the optical delay associated therewith. It is possible to shift only the center frequency without changing the time waveform. Details of the optical delay compensation mechanism will be described later.
  • the excitation light Le, the local oscillation probe light Ll, and the phase modulation probe light Lp described above are folded back by the mirror 29 and then are coaxially combined to be combined light Lg. be introduced.
  • the relative delay time between the excitation pulse light Pe and the probe pulse light can be adjusted by the position in the optical axis direction of the end mirror 20 of the excitation pulse light adjustment unit 40.
  • the microscope 25 is an optical microscope, and includes an objective lens 32, a stage 34, and mirrors 30 and 31 for folding.
  • a sample 33 is placed on the stage 34, and the sample 33 is irradiated with the combined light Lg incident on the objective lens 32.
  • the sample 33 is, for example, a living cell infiltrated with a drug.
  • an SRS signal resulting from molecular vibration of a drug molecule is generated.
  • the light receiving unit 43 includes a polarizer 26, a long pass filter 27, and a light receiver 28.
  • the polarizer 26 has a polarization axis in a direction different from the polarization direction of the excitation light Le (for example, a direction orthogonal thereto), and removes the excitation light Le from the combined light Lg.
  • the long pass filter 27 is a filter that removes the phase modulation probe light Lp from the combined light Lg including the local oscillation probe light Ll and the phase modulation probe light Lp from which the excitation light Le has been removed. This is because the wavelength of the local oscillation probe light Ll is set longer than the wavelength of the phase modulation probe light Lp in the present embodiment.
  • the light receiver 28 receives the local oscillation probe light Ll and converts it into an electrical signal. For the light receiver 28, for example, a photodiode is used.
  • the light receiver 28 is connected to the control unit 44, and a light reception signal in the light receiver 28 is sent to the control unit 44.
  • the reason why the long pass filter 27 is used in the present embodiment is that the wavelength of the local oscillation probe light Ll is set longer than the wavelength of the phase modulation probe light Lp. Since the relationship between the wavelength of the local oscillation probe light Ll and the wavelength of the phase modulation probe light Lp is not particularly limited, when the wavelength of the local oscillation probe light Ll is set shorter than the wavelength of the phase modulation probe light Lp, the long pass filter 27 Instead, a short pass filter may be used.
  • the excitation pulse light Pe is the polarizer 26 among the excitation pulse light Pe, the local oscillation probe pulse light Pl, and the phase modulation probe pulse light Pp, and the phase modulation probe pulse light.
  • Pp is blocked by the long-pass filter 27, and only the local oscillation probe pulse light Pl passes to the light receiver 28.
  • the light intensity of the local oscillation probe pulsed light Pl is converted into a current by a photodetector, and the light intensity modulation component superimposed on the local oscillation probe pulsed light Pl is detected by a lock-in amplifier.
  • the light intensity modulation component detected by the lock-in amplifier is a signal component derived from Raman scattering in the sample 33 (hereinafter, “SRS signal”).
  • the SRS signal is a signal proportional to the concentration of the sample (the drug in the present embodiment).
  • the configuration in which the polarizer 26 and the long pass filter 27 are arranged in this order has been described as an example, but this order may be reversed.
  • the control unit 44 is a part for performing photodetection signal processing for extracting the frequency component of the SRS light from the local oscillation probe light L1 including the SRS light generated from the sample 33, and a CPU (Central Processing Unit not shown). ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory) and the like.
  • the control unit 44 is connected to a drive circuit (including a signal generator; not shown) of the optical modulator 21, the light receiver 28, and the wavelength scanning unit 24.
  • a signal generator signal generator
  • a high-voltage amplifier that generates an electric signal for performing phase modulation by changing the drive voltage of the optical modulator 21 may be provided inside or outside the control unit 44.
  • the control unit 44 controls the signal generator to control the waveform of the drive voltage for phase-modulating the optical modulator 21.
  • the control unit 44 can be configured using a general personal computer or the like.
  • the control unit 44 drives the optical modulator 21 via the drive circuit and receives an amplitude modulation signal from the light receiver 28 to constitute a lock-in amplifier. From the local oscillation probe pulse light Pl modulated by heterodyne interference, the SRS Extract the signal.
  • a wavelength scanning unit 24 is further connected to the control unit 44, and the control unit 44 controls the rotation of the bandpass filter 18 included in the wavelength scanning unit 24 and the movement of the end mirror 20.
  • the probe response obtained by delaying the substance response (instantaneous refractive index change) generated by the molecular vibration excited by the excitation light Le is time-delayed.
  • the light intensity modulation component converted into intensity modulation and synchronized with the modulation frequency is detected using a demodulator such as a lock-in amplifier.
  • FIG. 3A shows the relationship between the pulse time waveform and the molecular vibration amplitude
  • FIG. 3A ⁇ 1> shows the time relationship between the excitation pulse light Pe, the local oscillation probe pulse light Pl, and the phase modulation probe pulse light Pp.
  • the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp overlap in time, and are delayed from the excitation pulse light Pe by a delay time ⁇ pr .
  • the delay time ⁇ pr is set to 0.9 ps as an example.
  • the delay time ⁇ pr is not limited to 0.9 ps, and may be appropriately set according to the detection target.
  • respective envelopes indicate the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp.
  • the pulse-like waveform shown inside the envelope conceptually represents a beat signal due to the frequency difference ⁇ R between the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp.
  • temporally asymmetric waveforms are used as the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp, and the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation are used.
  • the rise time of the probe pulse light Pp is 0.3 ps as an example, and the fall time is 1.2 ps as an example.
  • FIG. 3A ⁇ 2> and ⁇ 3> show molecular vibration amplitude
  • FIG. 3A ⁇ 2> shows background molecular vibration
  • FIG. 3A ⁇ 3> shows a sample (in this embodiment, a drug is used as an example.
  • the vibration of the sample is a vibration with a relatively long life that starts from the position of the excitation pulsed light Pe and continues to the almost end position of the probe pulsed light.
  • the background molecular vibration has a short lifetime compared to the molecular vibration of the sample, and almost disappears in the vicinity of the rising position of the probe pulse light.
  • the delay time ⁇ pr between the excitation pulse light Pe and the probe pulse light is set so that the probe pulse light rises when the background molecular vibration is settled.
  • FIG. 3B ⁇ 1> shows the optical output frequency characteristics of the pump pulse light Pe
  • ⁇ 2> shows the optical output frequency characteristics of the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp
  • ⁇ 3> shows the local oscillation probe pulse.
  • the group delay frequency characteristics of the light Pl and the phase modulation probe pulsed light Pp are respectively shown. Note that the scales of the horizontal axes (angular frequencies ⁇ ) in FIGS. 3B ⁇ 1> to ⁇ 3> are the same.
  • the excitation pulse light Pe has a wide bandwidth.
  • the central wavelength of the excitation pulse light Pe is about 790 nm, and the pulse width is about 15 fs.
  • the optical output frequency characteristics of Pl and phase-modulated probe pulsed light Pp are band-limited as shown in FIG. 3B ⁇ 2>.
  • the center wavelength of the local oscillation probe pulsed light Pl according to the present embodiment is 815 nm to 860 nm as an example, the bandwidth is about 20 nm, the center wavelength of the phase modulation probe pulsed light Pp is about 790 nm as an example, and the bandwidth is about 20 nm. It is said that.
  • the bandwidth of the local oscillation probe pulsed light Pl and the bandwidth of the phase modulation probe pulsed light Pp are set to be substantially equal.
  • the difference between the central wavelength range of 815 nm to 860 nm of the local oscillation probe pulsed light Pl and the central wavelength of 790 nm of the phase modulation probe pulsed light Pp becomes the wavelength scanning range, which corresponds to the detection range of the molecular vibration of the sample.
  • the photodetector 10 according to the present embodiment has a wavelength scanning (spectral scanning) range of 45 nm.
  • the center wavelength and the wavelength scanning range of the local oscillation probe pulsed light Pl and the phase modulation probe pulsed light Pp are merely examples, and may be set to appropriate values according to the design of the photodetection device. Note that the scanning of the center wavelength of the local oscillation probe pulsed light Pl is performed by the rotation of the bandpass filter 18 as described above.
  • a fixed delay time ⁇ pr between the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp is common to the pump pulse light Pe.
  • the non-linear chirps resulting from the passage of the bandpass filters 18 and 16 are respectively provided with the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp.
  • the shape of the nonlinear chirp of the local oscillation probe pulsed light Pl and the shape of the nonlinear chirp of the phase-modulated probe pulsed light Pp are set to be substantially the same.
  • the center frequency of the local oscillation probe pulsed light Pl is different from the center frequency of the phase modulation probe pulsed light Pp.
  • the difference between the center frequency of the local oscillation probe pulsed light Pl and the center frequency of the phase modulation probe pulsed light Pp is referred to as “frequency difference ⁇ R ”.
  • a linear chirp resulting from the passage of the optical modulator 21 is added to the phase-modulated probe pulse light Pp, so that the local oscillation probe pulse light Pl has the linear chirp in the optical path. This is compensated by arranging a glass rod 17 having a linear chirp corresponding to.
  • each of the local oscillation probe pulsed light Pl and the phase modulation probe pulsed light Pp has an asymmetric waveform extended in time as shown in FIG. 3A ⁇ 1>.
  • the difference frequency of the asymmetric pulse spread in time becomes a constant frequency regardless of time.
  • the difference between the center frequency of the difference frequency probe light that is equal to the frequency difference Omega R.
  • the excitation light Le only vibration components that match the predetermined frequency difference Omega R is converted to a light intensity modulation of the probe light.
  • the sample 33 is irradiated with three pulse laser beams of the excitation pulse light Pe, the local oscillation probe pulse light Pl, and the phase modulation probe pulse light Pp, first, a plurality of molecular vibrations are simultaneously excited by the excitation pulse light Pe. Thereafter, energy is transferred between the probe lights by a stimulated Raman scattering process using the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp. At this time, the phase modulation applied to the phase modulation probe pulse light Pp is converted into light intensity modulation of the local oscillation probe pulse light Pl (and the phase modulation probe pulse light Pp).
  • the detected frequency is determined by the frequency difference ⁇ R between the local oscillation probe pulse light Pl and the phase modulation probe pulse light Pp. On the other hand, since the frequency resolution is determined by the reciprocal of the pulse width, the ability to discriminate molecules is more improved by applying a strong chirp.
  • the scanning method of molecular vibration frequency in accordance with the present embodiment that is described in more detail how to set the frequency difference Omega R.
  • the wavelength scanning unit 24 for compensating for the change in the optical delay amount has a delay compensation mechanism. Provided. More specifically, the moving mechanism in the optical axis direction of the end mirror 20 which is a folding mirror of the local oscillation probe pulsed light Pl and the rotating mechanism of the bandpass filter 18 are driven simultaneously.
  • FIG. 4A shows the wavelength dependence of the rotation angle ⁇ of the bandpass filter 18.
  • FIG. 4B shows an optical axis of the end mirror 20 required to maintain the optical delay amount at a predetermined constant value when the rotation angle ⁇ of the bandpass filter 18 is set as shown in FIG. 4A.
  • the wavelength dependence of the direction position Px is shown. That is, FIG. 4 shows calibration data of the bandpass filter 18 and the end mirror 20.
  • the position Px in FIG. 4B is shown as a position based on a predetermined origin. For example, when it is desired to set the wavelength to 830 nm, the rotation angle ⁇ of the bandpass filter 18 is set to about 44 ° from FIG. 4A.
  • the optical delay amount is maintained at a predetermined constant value.
  • the relationship between the rotation angle ⁇ of the band-pass filter 18 shown in FIG. 4A and the position of the end mirror 20 shown in FIG. 4B is measured in advance by the photodetecting device 10 and is stored in a ROM or the like not shown.
  • the means may be stored in the form of a table or a mathematical expression.
  • a reference position of the position Px may be determined in advance, and an amount shifted from the reference position instead of the position Px may be stored as the optical path length correction value ⁇ .
  • the bandpass filter is used not only as a wavelength selection element but also as a waveform shaping element for generating an asymmetric pulse, and the time waveform can be changed by combining the rotation of the bandpass filter and the compensation mechanism for the optical delay associated therewith. It is possible to shift only the center frequency.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the flow of processing of the light detection processing program according to the present embodiment.
  • the process illustrated in FIG. 5 is illustrated in the control unit 44 by instructing the start of photodetection via a UI (user interface) unit (not illustrated).
  • a spectral scan (wavelength scan) start frequency ⁇ start, end frequency ⁇ end, and frequency step size ⁇ step are acquired.
  • Each of the start frequency ⁇ start, the end frequency ⁇ end, and the frequency step ⁇ step is stored in advance in a storage unit such as a ROM, and may be acquired by reading from the storage unit, or input from a UI unit (not shown) each time You may acquire what was done.
  • step S11 the value of the counter k for counting the number of spectral scans is cleared to 0.
  • step S12 the molecular vibration frequency ⁇ det to be detected is set according to (Equation 1) shown below.
  • ⁇ det ⁇ start + k ⁇ step (Equation 1)
  • step S13 the rotation angle ⁇ of the bandpass filter 18 and the optical path length correction value ⁇ corresponding to the molecular vibration frequency ⁇ det are acquired.
  • the molecular vibration frequency ⁇ det corresponds to the wavelength on the horizontal axis of the graph shown in FIG. 4, and the relationship between the rotation angle ⁇ and the optical path length correction value ⁇ is stored in advance in a table format in a storage means such as a ROM (not shown) as an example. . Therefore, the rotation angle ⁇ and the optical path length correction value ⁇ corresponding to the molecular vibration frequency ⁇ det are obtained from the table.
  • step 14 the rotation angle ⁇ of the bandpass filter 18 and the optical path length correction value ⁇ are set to the values acquired in step 12.
  • step 15 light detection processing is executed to obtain output data of the lock-in amplifier.
  • step S16 an SRS signal (Raman scattering signal) is acquired from the output data of the lock-in amplifier acquired in step S15.
  • step S17 it is determined whether or not the molecular vibration frequency ⁇ det is smaller than the end frequency ⁇ end. If the determination is affirmative, the process proceeds to step S18, the counter k is incremented by 1, and the process returns to step S12. If the determination is negative, the light detection processing program is terminated.
  • FIG. 6A shows the detection result of the SRS signal by the photodetection device 10
  • FIG. 6B shows the detection result of the SRS signal by the photodetection device according to the comparative example.
  • the light detection device according to the comparative example is a device having the same configuration as the device disclosed in Non-Patent Document 4.
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • the integrated time was set to 1 s (seconds) for both the light detection devices.
  • 6A and 6B show the detection results of DMSO and the measurement results of water (indicated as “water” in FIG. 6), respectively.
  • the water detection signal is the background molecular vibration, and acts as noise in the light detection according to the present embodiment. Therefore, the difference between the DMSO signal level and the water signal level is defined as the S / N ratio.
  • the S / N ratio was about 93 in the detection result of the SRS signal by the light detection device 10.
  • the S / N ratio was about 2 in the detection result by the photodetection device according to the comparative example. That is, it can be seen that the S / N ratio of the light detection device 10 is improved by a factor of 40 compared to the light detection device according to the comparative example.
  • the concentration limit detectable by the photodetector according to the comparative example is 0.5% (corresponding to 70 mM (mole)), and is lowered to 0.01% (corresponding to 1.4 mM). Became possible.
  • the generated wave number of Raman scattering in DMSO is about 672 cm ⁇ 1 .
  • FIG. 7 shows an example of the frequency resolution in DMSO detection.
  • the detection result of 1 propanol is also shown for comparison.
  • the wave width of the DMSO SRS signal is about 26 cm ⁇ 1 in FWHM (Full Width at Half Maximum).
  • the wave width of the probe light is about 320 cm ⁇ 1 (corresponding to 20 nm)
  • the wave width of the SRS signal is 1/10 or less of the wave width of the probe light, and sufficient frequency resolution is ensured. I understand that.
  • FIG. 7 also shows that the resolution of 1 propanol having a peak of the SRS signal at about 860 cm ⁇ 1 is comparable.
  • background noise called non-resonant background light occurs when excitation light and probe light overlap in time.
  • the excitation pulse light is obtained by using the asymmetric pulse light generated by the light pulse pair generation device according to the present embodiment as the probe pulse light. Therefore, the background noise can be greatly reduced.
  • the Raman signals in the time domain separated by 0.5 ps or more from the position of the excitation pulse light are selectively probed. Therefore, it is possible to remove strong Raman scattering background light derived from water or lipid having a short relaxation time.
  • the molecular vibrational lifetime of small drug molecules is typically typically greater than 0.5 ps. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to image the concentration distribution of the target drug molecule with high contrast.
  • the optical pulse pair generation device it is possible to generate a high-quality asymmetric pulse pair with less noise due to side lobes of the time waveform, despite a simple configuration with a passive optical element. It is possible to greatly improve the detection performance of molecules (lower the detection limit concentration).
  • the said embodiment demonstrated and demonstrated the form which uses this optical pulse pair production
  • the waveform shaping may be performed using an element that gives strong nonlinear dispersion (for example, a Zeilltronic resonator mirror) in addition to the bandpass filter.
  • the optical pulse pair generation device is not limited to the measurement of coherent Raman scattering, but other optical frequency conversion devices, for example, terahertz waves using mid-infrared wave generation or optical rectification using a difference frequency It can be diverted to generation.
  • a wavelength tunable laser device or the like in the wavelength band of the optical pulse pair can be realized.

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Abstract

予め定められた波長差の中心波長を各々有するとともに、略同一の目標時間波形とされた第１のパルス光と第２のパルス光を含む光パルス対を生成する光パルス対生成装置であって、入射パルス光を２分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された一方のパルス光を前記目標時間波形に整形するとともに中心周波数を設定して前記第１のパルス光とする第１の整形部と、前記分岐部で分岐された他方のパルス光を前記目標時間波形に整形して前記第２のパルス光とする第２の整形部と、を含む光パルス対生成装置、が提供される。

Description

光パルス対生成装置、光検出装置、および光検出方法
　本開示は、光パルス対生成装置、光検出装置、および光検出方法、特に互いに近似する時間波形の光パルス対を生成する光パルス対生成装置、それを用いたラマン散乱を検出する光検出装置、および光検出方法に関する。
　コヒーレントラマン散乱顕微鏡は、細胞や組織の中に存在する分子を非染色でかつ高速に画像化できるイメージング技術として知られている。コヒーレントラマン散乱顕微鏡は、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ａｎｔｉ－ｓｔｏｋｅｓ　Ｒａｍａｎ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＣＡＲＳ）や誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｒａｍａｎ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＳＲＳ）などの非線形光学過程を用いている。コヒーレントラマン散乱顕微鏡は、これらの非線形光学過程における光と分子との相互作用で生じたラマン散乱光を検出することにより取得した分子振動の情報を反映した信号のレベルを元にして、化学物質の濃度分布を光の回折限界レベル（一例として、１μｍ（ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ）以下）の空間分解能で描画する装置である。例えば、Coherent Raman scattering microscopy, J.-X. Cheng and X. S. Xie Eds, (Taylor and Francis Books Inc., 2011).を参照。
　従来、コヒーレントラマン散乱顕微鏡としていくつかの方式が知られているが、中でも、時間分解コヒーレントラマン散乱顕微鏡は、細胞や組織自体の背景ノイズを低減して、小さな分子の薬剤などが持つ特定の周波数の分子振動の信号を高いコントラストで検出できる手法として注目されている。例えば、A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie，“Time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy: Imaging based on Raman free induction decay,” Appl. Phys. Lett. 80, 1505-1507 (2002).を参照。
　さらに近年、時間分解コヒーレントラマン顕微鏡の手法の発展形として、スペクトル集光法を用いて高いスペクトル分解能を達成する手法が提案されている。例えば、
P. K. Upputuri, L. Gong, and H. Wang, “Chirped time-resolved CARS microscopy with square-pulse excitation,” Opt. Express 22, 9611-9626 (2014). 及びT. Ito, Y. Obara and K. Misawa, “Single-beam phase-modulated stimulated Raman scattering microscopy with spectrally focused detection,” J. Opt. Soc. Am. B 34, 1005-1017 (2017). を参照。スペクトル集光法とは、例えば２つのフェムト秒パルスにそれぞれ同量の群遅延分散（線形チャープ）を与え、それらのうなりの周波数に対応したラマン振動ピークを選択的に励起、あるいはプローブすることにより、高い分解能の顕微分光を実現する手法である。例えば、T. Hellerer, A. M. K. Enejder and A. Zumbusch, “Spectral focusing: high spectral resolution spectroscopy with broad-bandwidth laser pulses,” Appl. Phys. Lett. 85, 25-27 (2004).を参照。
Coherent Raman scattering microscopy, J.-X. Cheng and X. S. Xie Eds, (Taylor and Francis Books Inc., 2011). A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, "Time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy: Imaging based on Raman free induction decay," Appl. Phys. Lett. 80, 1505-1507 (2002). P. K. Upputuri, L. Gong, and H. Wang, "Chirped time-resolved CARS microscopy with square-pulse excitation," Opt. Express 22, 9611-9626 (2014). T. Ito, Y. Obara and K. Misawa, "Single-beam phase-modulated stimulated Raman scattering microscopy with spectrally focused detection," J. Opt. Soc. Am. B 34, 1005-1017 (2017). T. Hellerer, A. M. K. Enejder and A. Zumbusch, "Spectral focusing: high spectral resolution spectroscopy with broad-bandwidth laser pulses," Appl. Phys. Lett. 85, 25-27 (2004).
　ここで、時間分解コヒーレントラマン顕微鏡では、分子振動を励起するための励起パルスと、その振動を検出するための、励起パルスに対して時間的に遅延したプローブ光が用いられる。しかしながら、従来の時間分解コヒーレントラマン顕微鏡とスペクトル集光法とを単純に組み合わせて光検出装置を構成した場合、スペクトル分解能は向上する一方で、非共鳴背景光と呼ばれる背景ノイズのレベルも上昇するために、分子検出性能が低下する。
　この背景ノイズの増加は、スペクトル集光をかけるために広げた光パルスが、時間的に離れた別のパルスに重なるために起こるものである。つまり、励起パルスを時間的に広げるとプローブ光に重なり、プローブパルスを広げると励起パルスに重なるという関係にある。時間遅延を増やせば背景ノイズは抑制できるが、分子振動のコヒーレンスは１ｐｓ（ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ）程度の時定数で減衰するため、プローブ遅延を増やすほど検出感度が下がるという問題がある。すなわち、波数分解能、背景ノイズレベル抑制性能、検出感度が互いにトレードオフ関係になっており、全ての性能を高くすることは困難であった。
　上記の励起パルスとプローブパルスの重なりを抑制して背景ノイズを避ける手法として、時間的に非対称な光パルスを用いることが考えられる。つまり、例えば鋭く立ち上がり、ゆっくりと減衰するような時間波形であれば、パルスの重畳による背景ノイズを避けながら励起直後の振動を捉えることが可能になるという考え方である。時間的に非対称なパルスを発生させるためには、光スペクトルの高次分散、すなわち急峻なカーブを持つスペクトル位相プロファイルが必要であるが、従来の液晶空間光変調器等の波形整形器ではピクセル分解能や位相変調ダイナミックレンジに限界があり、そのような急峻な位相変化まで再現させることは一般に困難である。その結果、たとえ従来技術によって波形整形器を構成したとしても、波形整形後の光パルス波形には不完全な位相制御によるサイドローブに起因するノイズが発生し、結果として分子検出性能は制限されてしまうという問題があった。また、スペクトル集光法では予め定められた条件を充足する２つの光パルスが必要となるので、このようなパルス対の簡易で精密な生成方法が要求されている。
　本開示は、以上のような背景に鑑みてなされたものであり、互いに形状が近似し中心周波数の異なる時間的に非対称なパルス対を簡易な構成により発生することが可能なパルス対発生装置、および該パルス対発生装置を用いた高い周波数分解能と高い感度の両立した光検出装置、および光検出方法を提供する。
　本開示の第１の態様に係る光パルス対発生装置は、予め定められた波長差の中心波長を各々有するとともに、略同一の目標時間波形とされた第１のパルス光と第２のパルス光を含む光パルス対を生成する光パルス対生成装置であって、入射パルス光を２分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された一方のパルス光を前記目標時間波形に整形するとともに中心周波数を設定して前記第１のパルス光とする第１の整形部と、前記分岐部で分岐された他方のパルス光を前記目標時間波形に整形して前記第２のパルス光とする第２の整形部と、を含むものである。
　また、本開示の第２の態様は、上記第１の態様において、前記第１の整形部は、前記一方のパルス光の前記目標時間波形に対応する帯域幅を有するとともに前記一方のパルス光の伝搬方向と交差する方向に回転可能とされた第１のバンドパスフィルタ、および前記一方のパルス光に可変の時間遅延を与える遅延部材を備え、前記第２の整形部は、前記他方のパルス光の前記目標時間波形に対応する帯域幅を有する第２のバンドパスフィルタを備えるものである。
　また、本開示の第３の態様は、上記第２の態様において、前記第１のバンドパスフィルタおよび前記遅延部材により前記波長差を走査する波長走査部が構成され、前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは時間的に重畳されており、前記波長走査部は、前記第１のバンドパスフィルタの回転角によって前記波長差を設定し、前記遅延部材の前記時間遅延によって前記第１のバンドパスフィルタの回転に伴う前記第１のパルス光と前記第２のパルス光との間の時間差を補償するものである。
　また、本開示の第４の態様は、上記第２または第３の態様において、前記分岐部は前記第２のバンドパスフィルタで構成されるものである。
　また、本開示の第５の態様は、上記第１～第４の態様において、前記第１のパルス光および前記第２のパルス光は立ち上がり時間よりも立下り時間の方が大きくされた非対称波形とされるとともに時間的に重畳されているものである。
　本開示の第６の態様に係る光検出装置は、上記第１～第５の態様に係る光パルス対生成装置を含み、励起パルス光、第１のプローブパルス光、および第２のプローブパルス光を用いて光検出を行う光検出装置であって、前記第１のパルス光が前記第１のプローブパルス光とされ、光源パルス光を発生するレーザ光源と、前記光源パルス光を２分岐して前記励起パルス光および前記入射パルス光とする光源分岐部と、前記第２のパルス光を位相変調して第２のプローブパルス光とする変調部と、前記励起パルス光、前記第１のプローブパルス光、および前記第２のプローブパルス光を合波し合波光を生成する合波部と、前記合波光を試料に照射する照射部と、前記合波光が前記試料に照射され前記励起パルス光により励起された分子振動を前記第１のプローブパルス光および第２のプローブパルス光によるヘテロダイン干渉を用いて検出する検出部と、を含むものである。
　また、本開示の第７の態様は、上記第６の態様において、前記第１のプローブパルス光および前記第２のプローブパルス光は立ち上がり時間よりも立下り時間の方が大きくされた非対称波形とされるとともに時間的に重畳され、かつ前記励起パルス光から予め定められた遅延時間だけ遅延しているものである。
　また、本開示の第８の態様は、上記第６または第７の態様において、前記励起パルス光は予め偏光されており、前記第１のプローブパルス光の波長と前記第２のプローブパルス光の波長が異なり、前記照射部が顕微鏡を含んで構成され、前記検出部は、前記試料に照射された後の前記合波光から前記励起パルス光を除去する偏光子、前記第２のプローブパルス光を除去する光学フィルタ、および前記第１のプローブパルス光を受光する受光部を備えるものである。
　また、本開示の第９の態様は、上記第８の態様において、前記第１の整形部は前記波長差を走査する波長走査部を備え、前記波長走査部は前記一方のパルス光の前記目標時間波形に対応する帯域幅を有するとともに前記一方のパルス光の伝搬方向と交差する方向に回転可能とされた第１のバンドパスフィルタ、および前記一方のパルス光に可変の時間遅延を与える遅延部材を含み、前記第１のバンドパスフィルタの回転角によって前記波長差を設定し、前記遅延部材の前記時間遅延によって前記第１のバンドパスフィルタの回転に伴う前記第１のプローブパルス光と前記第２のプローブパルス光との間の時間差を補償するように前記波長走査部を制御するとともに、前記目標時間波形に対応する帯域幅を有する第２のバンドパスフィルタを透過した第２のプローブパルス光に対して位相が線形に変化する領域と位相差２πだけ急峻に変化する接続領域を含むノコギリ型波形の変調信号による位相変調が施されるように前記変調部を制御する制御部をさらに含むものである。
　また、本開示の第１０の態様は、上記第９の態様において、前記制御部は前記受光部から出力された受光信号を受け取るとともに、前記受光信号および前記変調信号によりロックインアンプを構成し、前記ロックインアンプによりヘテロダイン干渉の結果第１のプローブパルス光に施された振幅変調信号を誘導ラマン散乱信号に対応する信号として検出するものである。
　また、本開示の第１１の態様は、上記第１０の態様において、前記第１のバンドパスフィルタは前記第１のプローブパルス光に予め定められた奇数次高次分散を付与し、前記第２のバンドパスフィルタは前記第２のプローブパルス光に前記予め定められた奇数次高次分散を付与するものである。
　本開示の第１２の態様に係る光検出方法は、光源パルス光を発生するレーザ光源、前記光源パルス光を３分岐して励起パルス光と予め定められた波形を有する第１のプローブパルス光と第２のプローブパルス光とする分岐部、前記第１のプローブパルス光を前記予め定められた波形に整形するとともに中心周波数を設定する第１の整形部、前記第２のプローブパルス光を前記予め定められた波形に整形する第２の整形部、前記第２のプローブパルス光に位相変調を施す変調部、前記励起パルス光、第１のプローブパルス光、および第２のプローブパルス光を合波し合波光を生成する合波部、および前記合波光を試料に照射する照射部を含む光検出装置を用いた分子振動の光検出方法であって、前記第１のプローブパルス光の中心波長と前記第２のプローブパルス光の中心波長との差が前記分子振動の周波数に対応する波長差となるようにし、前記予め定められた波形を、立ち上がり時間よりも立下り時間の方が大きい略同一の非対称波形とし、前記第１のプローブパルス光および前記第２のプローブパルス光を時間的に重畳させるとともに前記励起パルス光から予め定められた遅延時間だけ遅延させ、検出部により、前記合波光が前記試料に照射され前記励起パルス光により励起された分子振動を前記第１のプローブパルス光および第２のプローブパルス光によるヘテロダイン干渉を用いて検出するものである。
　本開示によれば、互いに形状が近似し中心周波数の異なる時間的に非対称なパルス対を簡易な構成により発生することが可能なパルス対発生装置、および該パルス対発生装置を用いた高い周波数分解能と高い感度の両立した光検出装置、および光検出方法を提供することが可能となる。
実施の形態に係る光検出装置の構成を説明するための概略構成図である。 実施の形態に係る光検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態に係る光検出装置におけるパルス光の時間軸上の特徴を説明するための図である。 実施の形態に係る光検出装置におけるパルス光の周波数軸上の特徴を説明するための図である。 実施の形態に係る光検出装置の局部発振プローブパルスの調整について説明する図である。 実施の形態に係る光検出装置の局部発振プローブパルスの調整について説明する図である。 実施の形態に係る光検出処理プログラムの流れを示すフローチャートである。 本実施の形態に係る光検出装置による薬剤の検出結果を示すグラフである。 比較例に係る光検出装置による薬剤の検出結果を示すグラフである。 本実施の形態に係る光検出装置の検出結果をプローブパルス光の帯域と併せて示したグラフである。
　以下、図面を参照して、本開示を実施するための形態について詳細に説明する。以下の実施の形態では、本開示に係る光検出装置を誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）過程を用いた位相変調誘導ラマン散乱顕微鏡に適用した形態を例示して説明する。
　図１から図７を参照して、本実施の形態に係る光パルス対生成装置、光検出装置、および光検出方法について説明する。まず、図１を参照して、本実施の形態に係る光検出装置１０の基本構成について説明する。図１に示すように、光検出装置１０は、光源１１、パルス光生成部５０、および顕微鏡２５を備えて構成されている。
　光源１１は、ＳＲＳ信号を生成させるための励起光とプローブ光を発生するレーザ光源である。本実施の形態ではパルス状の励起光（励起パルス光）、およびプローブ光（プローブパルス光）を用いており、光源１１はこれらのパルス光の元となる光源パルス光Ｐｓを発生する。本実施の形態では、光源パルス光Ｐｓとしてフェムト秒パルスを用いている。また、本実施の形態では、プローブ光として、局部発振プローブ光および位相変調プローブ光の２つを用いる。顕微鏡２５は、励起光およびプローブ光を試料に照射させる部位であり、後段には後述する受光部４３、制御部４４が接続される。
　パルス光生成部５０は、光源パルス光Ｐｓを用いて、励起パルス光Ｐｅ、および２つのプローブパルス光、すなわち、局部発振プローブパルス光Ｐｌ、位相変調プローブパルス光Ｐｐを生成する。そのため、光源１１からのレーザ光は、励起光Ｌｅ、局部発振プローブ光Ｌｌ、および位相変調プローブ光Ｌｐの３つに分割される。本実施の形態に係る光源パルス光Ｐｓ、そして励起パルス光Ｐｅは超短パルス光とされている。また、局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐは、立ち上がりが速く立下りが遅い非対称の波形とされ、励起パルス光Ｐｅから予め定められた時間だけ遅延するように配置される。本実施の形態では、局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐとは中心波長が異なる略同一の波形（互いに近似した波形）とされるとともに、時間的に重畳されている。以下、局部発振プローブ光Ｌｌ、位相変調プローブ光Ｌｐを総称して「プローブ光」といい、局部発振プローブパルス光Ｐｌ、位相変調プローブパルス光Ｐｐを総称して「プローブパルス光」という場合がある。
　図１に示すように、局部発振プローブ光Ｌｌの光路には波形整形のためのバンドパスフィルタ１８およびエンドミラー２０が配置されている。一方、位相変調プローブ光Ｌｐの光路には光変調器２１とともに、波形整形のためのバンドパスフィルタ１６が配置されている。局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐの波形調整方法についての詳細は後述する。なお、図１に示す励起パルス光Ｐｅ、局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐの配置は、光を上から見たときの空間軸上のスナップショットを模式的に示している。
　次に図２を参照して、本実施の形態に係る光検出装置１０の構成の一例についてより詳細に説明する。図２に示すように、光検出装置１０は、光源１１、波形整形部１２、ＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：偏光ビームスプリッタ）１３、励起パルス光調整部４０、局部発振プローブパルス光調整部４１、位相変調プローブパルス光調整部４２、顕微鏡２５、受光部４３、および制御部４４を含んで構成されている。
　光源１１は、光検出装置１０において、ラマン散乱過程における、励起光Ｌｅ（励起パルス光Ｐｅ）、局部発振プローブ光Ｌｌ（局部発振プローブパルス光Ｐｌ）、位相変調プローブ光Ｌｐ（位相変調プローブパルス光Ｐｐ）の各々に対応する光を発生させる光源である。図２において、励起光Ｌｅの光路は、光源１１→ＰＢＳ１３→１／４波長板１４→エンドミラー１５→１／４波長板１４→ＰＢＳ１３→ミラー２９となっている。局部発振プローブ光Ｌｌの光路は、光源１１→ＰＢＳ１３→バンドパスフィルタ１６→ガラスロッド１７→バンドパスフィルタ１８→１／４波長板１９→エンドミラー２０→１／４波長板１９→バンドパスフィルタ１８→ガラスロッド１７→バンドパスフィルタ１６→ＰＢＳ１３→ミラー２９となっている。位相変調プローブ光Ｌｐの光路は、光源１１→ＰＢＳ１３→バンドパスフィルタ１６→光変調器２１→１／４波長板２２→エンドミラー２３→１／４波長板２２→バンドパスフィルタ１６→ＰＢＳ１３→ミラー２９となっている。すなわち、本実施の形態では、ＰＢＳ１３により励起光Ｌｅとプローブ光（局部発振プローブ光Ｌｌ、位相変調プローブ光Ｌｐ）に分割され、バンドパスフィルタ１６により局部発振プローブ光Ｌｌと位相変調プローブ光Ｌｐとに分割される。
　本実施の形態に係る光検出装置１０では、光源１１に広帯域の光源パルス光Ｐｓを発生する超短パルスレーザを用いている。本実施の形態では光源１１の一例として、近赤外の広帯域フェムト秒レーザを用いている。より具体的には、図２に示すように、光源１１の一例として、中心波長が７９０ｎｍのチタンサファイアレーザを用い、パルス幅を１５ｆｓ（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ）としている。ただし、光源１１の波長、パルス幅はこれに限定されるものではなく、光検出装置１０の設計内容等に応じて適切な値に設定してよい。なお、本実施の形態では、光源１１から出射される光源パルス光Ｐｓを予め定められた方向の直線偏光としている。しかしながら、光源パルス光Ｐｓの偏光態様はこれに限られず、例えば円偏光、楕円偏光等であってもよい。
　波形整形部１２は、光源パルス光Ｐｓを補償して所望の特性を満たすようにする部位である。すなわち波形整形部１２は、図示を省略する分散補償光学素子、ＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：空間光変調器）等を含んで構成され、後述する対物レンズ３２下での照射光のパルス幅がこの光源１１の最小値１５ｆｓになるように適切に分散補償される。なお、本実施の形態では、分散補償光学素子の一例として、誘電体多層膜により高い反射率と負の２次分散補償を与えるチャープミラーを用い、ＳＬＭの一例として液晶空間光変調器を用いている。
　ＰＢＳ１３は、光源１１で発生したレーザ光を励起光Ｌｅとプローブ光（局部発振プローブ光Ｌｌ、位相変調プローブ光Ｌｐ）に２分割する光学素子である。
　励起パルス光調整部４０は、１／４波長板１４、エンドミラー１５を備えている。１／４波長板１４は、励起光Ｌｅを一旦円偏光に変換し、エンドミラー１５で反射させた後の偏光方向を光源パルス光Ｐｓの偏光方向とは異なる方向とすることによりＰＢＳ１３で反射されるようにしている。エンドミラー１５は励起光Ｌｅの光軸方向に可動とされ、励起パルス光Ｐｅに与える遅延時間を調整し、プローブパルス光との間の時間差を設定する。
　局部発振プローブパルス光調整部４１はガラスロッド１７、および波長走査部２４を備え、波長走査部２４はバンドパスフィルタ１８、１／４波長板１９、およびエンドミラー２０を含んで構成されている。１／４波長板１９の機能は１／４波長板１４と同様である。ガラスロッド１７は、後述の光変調器２１の分散に相当する分散を局部発振プローブパルス光Ｐｌに与える光学素子である。ガラスロッド１７は、光変調器２１に起因する局部発振プローブパルス光Ｐｌに与えられる分散と、位相変調プローブパルス光Ｐｐに与えられる分散の相違が問題とならない場合は設ける必要がなく、必須のものではない。
　図２＜１＞は波長走査部２４の詳細を示している。図２＜１＞に示すように、バンドパスフィルタ１８は予め定められた回転軸Ｃを中心に回転可能にされており、局部発振プローブパルス光Ｐｌの中心周波数を設定するチューナブルフィルタである。エンドミラー２０は、主として、バンドパスフィルタ１８の回転に伴う局部発振プローブパルス光Ｐｌの遅延の変動を補償する。波長走査部２４は、後述する制御部４４に接続され、バンドパスフィルタ１８、およびエンドミラー２０は制御部４４によって制御される。局部発振プローブパルス光Ｐｌの中心波長の設定および遅延時間の調整におけるバンドパスフィルタ１８とエンドミラー２０の制御の詳細については後述する。
　位相変調プローブパルス光調整部４２は、光変調器２１、１／４波長板２２、およびエンドミラー２３を含んで構成されている。光変調器２１は、位相変調プローブ光Ｌｐを位相変調する位相変調器であり、本実施の形態では、一例としてＥＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｏｐｔｉｃ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：電気光学変調器）を用いている。光変調器は２１は図示を省略する駆動回路に接続され、該駆動回路は制御部４４に接続されている。光変調器２１は、一例として６５ｋＨｚのノコギリ型波形による位相変調を位相変調プローブ光Ｌｐに与える。この場合のノコギリ型波形は、位相変調プローブ光Ｌｐに対して位相が線形に変化する領域と位相差２πだけ急峻に変化する接続領域を含む波形とすることが望ましい。１／４波長板２２の機能は１／４波長板１４と同様である。また、エンドミラー２３は、局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐとの間の時間的な配置関係を調整する。なお、本実施の形態ではエンドミラー１５、２０、２３によって遅延を調整する形態を例示して説明するが、これに限られず光学遅延を可変にできる機構であれば他の光学素子、例えば光遅延線等を用いた形態としてもよい。
　ここで、本実施の形態に係るバンドパスフィルタ１６、１８についてより詳細に説明する。本実施の形態では、バンドパスフィルタ１６、１８として同じ帯域（バンド）幅を有する可変バンドパスフィルタを用いている。バンドパスフィルタの設計中心周波数は異なっていてもよい。一般に、バンドパスフィルタは回転角が大きくなると、透過光の中心波長が高周波数側（短波長側）にシフトする。さらに、バンドパスフィルタを往復で２回通過する際に、各プローブ光には、強い非線形チャープが加えられる。この際の非線形チャープは、３次またはそれ以上の奇数次分散（５次、７次）を含むことが望ましい。この非線形チャープは、プローブパルス光の時間波形を非対称にするための要件となる。本実施の形態ではバンドパスフィルタ１６、１８として各々１枚で構成する形態を例示して説明するが、これに限られず複数枚組み合わせて１つのバンドパスフィルタとして機能させる形態としてもよい。
　ここで、多くの誘電体多層膜バンドパスフィルタはファブリペロー共振器を元にした設計となっており、そのようなバンドパスフィルタは奇数次分散を持つことが知られている。したがって、該誘電体多層膜バンドパスフィルタは、パルスの時間波形を整形する素子として利用することができる。なお、本実施の形態で用いるバンドパスフィルタ１６、１８は、ビーム入射角が変わったとき、つまり回転したときにスペクトルの形状（透過波長帯域のスペクトルプロファイル）が変わらないように設計されていることが望ましい。さらに、透過特性が入射偏光に依存しないように設計されていることが望ましい。
　局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐの時間波形をより精密に揃えるためには、さらに線形チャープ成分（２次分散）も略同一になるように設計されることが望ましい。そのため、上述したように、位相変調をかけるために用いる光変調器２１の２次分散と同じ２次分散のガラスロッド１７を局部発振プローブパルス光調整部４１に配置している。
　ここで、本実施の形態に係る「光パルス対生成装置」は、光源１１、バンドパスフィルタ１６、１８、エンドミラー２０、２３を含んで構成される。エンドミラー２０で反射された第１のパルス光（局部発振プローブパルス光Ｐｌ）と、エンドミラー２３で反射された第２のパルス光（位相変調プローブパルス光Ｐｐ）がバンドパスフィルタ１６で合波され、本実施の形態に係る光パルス対を構成する。本実施の形態に係る光パルス対生成装置は、略同一の（互いに近似した）時間波形のパルス対を生成する装置である。本実施の形態に係る光検出装置では、本光パルス対生成装置によって発生させた非対称な時間波形を有するパルス対を用いることで、背景ノイズを避けつつ、高い周波数分解能と高い感度を両立したコヒーレントラマン分光が実現可能となっている。
　また、バンドパスフィルタ１６、１８を、波長選択素子としてだけでなく、非対称なパルスを生成するための波形整形素子として用い、バンドパスフィルタ１８の回転とそれに伴う光学遅延の補償機構を組み合わせることで、時間波形を変えずに中心周波数だけをシフトすることが可能となっている。光学遅延の補償機構の詳細については後述する。
　再び図２を参照して、上述の励起光Ｌｅ、局部発振プローブ光Ｌｌ、および位相変調プローブ光Ｌｐはミラー２９で折り返された後同軸状に合波されて合波光Ｌｇとされ、顕微鏡２５に導入される。この際、励起パルス光Ｐｅとプローブパルス光の相対遅延時間は、励起パルス光調整部４０のエンドミラー２０の光軸方向位置により調整が可能である。 
　顕微鏡２５は光学顕微鏡であり、対物レンズ３２、ステージ３４、および折り返し用のミラー３０、３１を含んで構成されている。ステージ３４には試料３３が載置され、対物レンズ３２に入射された合波光Ｌｇが試料３３に照射される。試料３３は例えば薬剤が浸透された生体細胞である。試料３３に合波光Ｌｇが照射されると、ＳＲＳ過程に基づいて、例えば薬剤分子の分子振動に起因するＳＲＳ信号が生成される。
　受光部４３は、偏光子（ポラライザ）２６、ロングパスフィルタ２７、受光器２８を含んで構成されている。
　偏光子２６は励起光Ｌｅの偏光方向と異なる方向（例えば、直交する方向）の偏光軸を有し、合波光Ｌｇから励起光Ｌｅを除去する。ロングパスフィルタ２７は、励起光Ｌｅが除去され、局部発振プローブ光Ｌｌ、位相変調プローブ光Ｌｐを含む合波光Ｌｇから位相変調プローブ光Ｌｐを除去するフィルタである。これは、本実施の形態では局部発振プローブ光Ｌｌの波長の方が位相変調プローブ光Ｌｐの波長よりも長く設定されていることによる。受光器２８は局部発振プローブ光Ｌｌを受光して電気信号に変換する。受光器２８には、例えばフォトダイオードが用いられる。受光器２８は制御部４４に接続されており、受光器２８における受光信号は制御部４４に送られる。なお、本実施の形態でロングパスフィルタ２７を用いるのは、局部発振プローブ光Ｌｌの波長を位相変調プローブ光Ｌｐの波長より長く設定しているからである。局部発振プローブ光Ｌｌの波長と位相変調プローブ光Ｌｐの波長の関係に特に制限はないので、局部発振プローブ光Ｌｌの波長を位相変調プローブ光Ｌｐの波長より短く設定した場合にはロングパスフィルタ２７の代わりにショートパスフィルタを用いればよい。
　すなわち、顕微鏡２５を通過した後は、励起パルス光Ｐｅ、局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐのレーザパルスのうち、励起パルス光Ｐｅは偏光子２６で、位相変調プローブパルス光Ｐｐはロングパスフィルタ２７で各々ブロックされ、局部発振プローブパルス光Ｐｌだけが受光器２８まで通過する。局部発振プローブパルス光Ｐｌの光強度は光検出器で電流に変換され、局部発振プローブパルス光Ｐｌに重畳された光強度変調成分がロックインアンプで検出される。ロックインアンプで検出された光強度変調成分が試料３３におけるラマン散乱に由来する信号成分（以下、「ＳＲＳ信号」）である。ＳＲＳ信号はサンプル（本実施の形態では薬剤）の濃度に比例した信号となる。なお、図２では偏光子２６、ロングパスフィルタ２７の順で配置する形態を例示して説明したが、この順序は逆であってもよい。
　　制御部４４は、試料３３から発生したＳＲＳ光を含む局部発振プローブ光Ｌｌから、ＳＲＳ光の周波数成分を抽出する光検出信号処理を行うための部位であり、図示を省略するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等を含んで構成されている。
　制御部４４は光変調器２１の駆動回路（信号発生器を含む。図示省略）、受光器２８、および波長走査部２４に接続されている。制御部４４の内部に、あるいは外付けで、光変調器２１の駆動電圧を変えて位相変調を行うための電気信号を発生する信号発生器（シグナルジェネレータ）や高電圧アンプが設けられる場合もある。この場合制御部４４は、該信号発生器を制御して、光変調器２１を位相変調するための駆動電圧の波形制御等を行う。制御部４４は、一般的なパーソナル・コンピュータ等を用いて構成することができる。制御部４４は駆動回路を介して光変調器２１を駆動するとともに受光器２８からの振幅変調信号を受けてロックインアンプを構成し、ヘテロダイン干渉により振幅変調された局部発振プローブパルス光ＰｌからＳＲＳ信号を抽出する。
　制御部４４にはさらに波長走査部２４が接続され、制御部４４は波長走査部２４に含まれるバンドパスフィルタ１８の回転、およびエンドミラー２０の移動を制御している。
　以上のように、本実施の形態に係る光検出装置、および光検出方法では、励起光Ｌｅによって励起された分子振動により発生する物質応答（瞬時的な屈折率変化）を時間遅延したプローブ光の強度変調に変換し、変調周波数に同期した光強度変調成分をロックインアンプなどの復調器を用いて検出している。
　次に、図３を参照して、本実施の形態に係る光検出装置、および光検出方法の原理について説明する。図３Ａはパルス時間波形と分子振動振幅の関係を示しており、図３Ａ＜１＞は励起パルス光Ｐｅと局部発振プローブパルス光Ｐｌ、位相変調プローブパルス光Ｐｐの時間的関係を示している。図３Ａ＜１＞に示すように、局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐとは時間的に重複し、励起パルス光Ｐｅから遅延時間τｐｒだけ遅れている。つまり、本実施の形態では、パルス幅の短い励起光Ｌｅで複数の分子振動を励起し、２つのプローブ光を用いてその振動をヘテロダイン検出している。なお、本実施の形態では、遅延時間τｐｒを一例として０．９ｐｓとしている。しかしながら遅延時間τｐｒは０．９ｐｓに限られず、検出対象等に応じて適宜に設定してよい。
　なお、図３Ａ＜１＞に示す局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐにおいて、各々の包絡線（エンベロープ）が局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐを示している。一方包絡線の内部に示されたパルス状の波形は、局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐとの周波数差ΩＲによるビート信号を概念的に表している。図３Ａ＜１＞に示すように、本実施の形態では、局部発振プローブパルス光Ｐｌおよび位相変調プローブパルス光Ｐｐとして時間的に非対称な波形を用いており、局部発振プローブパルス光Ｐｌおよび位相変調プローブパルス光Ｐｐの立ち上がり時間は一例として０．３ｐｓ、立下り時間は一例として１．２ｐｓとされている。
　一方、図３Ａ＜２＞、＜３＞は分子振動振幅を示しおり、図３Ａ＜２＞は背景分子振動を、図３Ａ＜３＞は試料（本実施の形態では、一例として薬剤を用いている）の分子振動を各々示している。図３Ａ＜３＞に示すように、試料の振動は励起パルス光Ｐｅの位置から始まってプローブパルス光のほぼ終了の位置まで継続する比較的長寿命の振動となっている。これに対し、図３Ａ＜２＞に示すように背景分子振動は、試料の分子振動と比較して短寿命であり、プローブパルス光の立ち上がり位置付近においてほぼ消滅している。換言すると、励起パルス光Ｐｅとプローブパルス光との遅延時間τｐｒは、背景分子振動が収まるころにプローブパルス光が立ち上がるように設定されている。
　次に、図３Ｂを参照して、励起パルス光Ｐｅ、局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐの周波数（波長）特性について説明する。図３Ｂ＜１＞は励起パルス光Ｐｅの光出力周波数特性を、＜２＞は局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐの光出力周波数特性を、＜３＞は局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐの群遅延周波数特性を、各々示している。なお、図３Ｂ＜１＞～＜３＞の横軸（角周波数ω）のスケールは一致している。
　図３Ｂ＜１＞に示すように、本実施の形態では励起パルス光Ｐｅとして超短パルス光を用いているので、励起パルス光Ｐｅは広い帯域幅を有する。先述したように、励起パルス光Ｐｅの中心波長は約７９０ｎｍ、パルス幅は約１５ｆｓである。
　これに対し局部発振プローブパルス光Ｐｌはバンドパスフィルタ１８によって、位相変調プローブパルス光Ｐｐはバンドパスフィルタ１６によって、励起パルス光Ｐｅの帯域特性の一部が切り取られることにより、局部発振プローブパルス光Ｐｌおよび位相変調プローブパルス光Ｐｐの光出力周波数特性は、図３Ｂ＜２＞に示すように帯域制限を受けている。本実施の形態に係る局部発振プローブパルス光Ｐｌの中心波長は、一例として８１５ｎｍ～８６０ｎｍ、帯域幅は約２０ｎｍ、位相変調プローブパルス光Ｐｐの中心波長は、一例として約７９０ｎｍ、帯域幅は約２０ｎｍとされている。すなわち、本実施の形態では局部発振プローブパルス光Ｐｌの帯域幅と位相変調プローブパルス光Ｐｐの帯域幅とを略等しくなるように設定している。ここで、局部発振プローブパルス光Ｐｌの中心波長範囲である８１５ｎｍ～８６０ｎｍと、位相変調プローブパルス光Ｐｐの中心波長７９０ｎｍの差分が波長走査範囲となり、試料の分子振動の検出範囲に対応する。換言すると、本実施の形態に係る光検出装置１０では４５ｎｍの波長走査（分光スキャン）範囲を有する。むろん局部発振プローブパルス光Ｐｌおよびの位相変調プローブパルス光Ｐｐの中心波長、波長走査範囲は一例であって、光検出装置の設計等に応じて適切な値に設定してよい。なお、局部発振プローブパルス光Ｐｌの中心波長の走査は、上述したように、バンドパスフィルタ１８の回転によって行われる。
　一方、図３Ｂ＜３＞に示すように、局部発振プローブパルス光Ｐｌおよび位相変調プローブパルス光Ｐｐの遅延周波数特性には、励起パルス光Ｐｅとの間の固定的な遅延時間τｐｒが共通に与えられる。本実施の形態ではさらに、各々バンドパスフィルタ１８、１６の通過に起因する非線形チャープが、各々局部発振プローブパルス光Ｐｌおよび位相変調プローブパルス光Ｐｐ付与されている。本実施の形態では、局部発振プローブパルス光Ｐｌの非線形チャープの形状と位相変調プローブパルス光Ｐｐの非線形チャープの形状とが略同じ形状となるように設定する。
　ここで、上述したように、局部発振プローブパルス光Ｐｌの中心周波数と位相変調プローブパルス光Ｐｐの中心周波数とは異なる。以下、局部発振プローブパルス光Ｐｌの中心周波数と位相変調プローブパルス光Ｐｐの中心周波数との間の差分を「周波数差ΩＲ」という。なお、本実施の形態では、上記非線形チャープ以外に、光変調器２１の通過に起因する線形チャープが位相変調プローブパルス光Ｐｐに付与されるので、局部発振プローブパルス光Ｐｌでは光路に該線形チャープに相当する線形チャープを有するガラスロッド１７を配置することによりこれを補償している。
　上記構成により、局部発振プローブパルス光Ｐｌおよび位相変調プローブパルス光Ｐｐの各々は、図３Ａ＜１＞に示すように、時間的に伸長された非対称な波形となる。略等しい帯域幅のパルスに略等しい量のチャープが与えられると、時間的に広がった非対称パルスの差周波は時間にかかわらず一定の周波数になる。この差周波はプローブ光の中心周波数の差、すなわち周波数差ΩＲに等しくなる。励起光Ｌｅで励起された分子振動のうち、この一定の周波数差ΩＲに一致した振動成分だけが、プローブ光の光強度変調に変換される。
　すなわち、励起パルス光Ｐｅ、局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐの３つのパルスレーザ光が試料３３に照射されると、まず励起パルス光Ｐｅで複数の分子振動が同時に励起され、その後局部発振プローブパルス光Ｐｌ、および位相変調プローブパルス光Ｐｐによる誘導ラマン散乱過程によりプローブ光間のエネルギーの授受が行われる。この際、位相変調プローブパルス光Ｐｐにかけた位相変調が局部発振プローブパルス光Ｐｌ（と位相変調プローブパルス光Ｐｐ）の光強度変調に変換される。検出される周波数は、局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐとの周波数差ΩＲで決まる。一方、周波数分解能はパルス幅の逆数で決まるため、チャープを強くかけた方がより分子の識別能は向上することになる。
　次に、図４を参照して、本実施の形態に係る分子振動周波数の走査方法、すなわち周波数差ΩＲの設定方法についてより詳細に説明する。非線形チャープを用いたスペクトル集光法では、局部発振プローブパルス光Ｐｌと位相変調プローブパルス光Ｐｐとの間の光学遅延量が常に等しくなるようにすることが必要となる。バンドパスフィルタ１８を回転させることに伴い、局部発振プローブパルス光Ｐｌの光学遅延量も変わるため、本実施の形態では該光学遅延量の変化を補償するための波長走査部２４に遅延補償機構を設けている。より具体的には、局部発振プローブパルス光Ｐｌの折り返しミラーであるエンドミラー２０の光軸方向の移動機構と、バンドパスフィルタ１８の回転機構とを同時に駆動する。
　図４Ａはバンドパスフィルタ１８の回転角θの波長依存を示している。また、図４Ｂは、バンドパスフィルタ１８の回転角θを図４Ａのように設定した場合において、上記光学遅延量を予め定められた一定値に維持するために必要となるエンドミラー２０の光軸方向の位置Ｐｘの波長依存を示している。すなわち、図４はバンドパスフィルタ１８およびエンドミラー２０の校正データを示している。図４Ｂの位置Ｐｘは、予め定められた原点を基準とする位置として示されている。例えば波長を８３０ｎｍに設定したい場合には、図４Ａよりバンドパスフィルタ１８の回転角θを約４４°とする。この際、エンドミラー２０の位置Ｐｘは約－９１．５μｍとすれば、光学遅延量が予め定められた一定値に維持される。図４Ａに示されたバンドパスフィルタ１８の回転角θと、図４Ｂに示されたエンドミラー２０の位置との関係は光検出装置１０によって予め測定しておき、図示を省略するＲＯＭ等の記憶手段にテーブル形式、あるいは数式の形態で記憶させておいてもよい。その際、位置Ｐｘの基準位置を予め定めておき、位置Ｐｘの代わりに該基準位置からずらす量を光路長補正値Δδとして記憶しておいてもよい。
　以上のように本実施の形態では、光パルス対生成装置により生成された、非対称な時間波形を持つ光パルス対（局部発振プローブパルス光Ｐｌ、位相変調プローブパルス光Ｐｐ）を用いることで、背景ノイズを避けつつ、高い周波数分解能と高い感度を両立させたコヒーレントラマン分光が実現可能となっている。また、バンドパスフィルタを波長選択素子としてだけでなく、非対称なパルスを生成するための波形整形素子として用い、バンドパスフィルタの回転とそれに伴う光学遅延の補償機構を組み合わせることで、時間波形を変えずに中心周波数だけをシフトさせることが可能とされている。
　次に図５を参照して、本実施の形態に係る光検出装置１０で実行される光検出処理について説明する。図５は、本実施の形態に係る光検出処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。本実施の形態に係る光検出装置１０では、図５に示す処理は、図示しないＵＩ（ユーザインタフェース）部等を介して光検出の開始を指示することで、制御部４４内に備えられた図示しないＣＰＵがＲＯＭ等の記憶手段に記憶された本光検出処理プログラムを読み込み、ＲＡＭ等に展開して実行する。
　まず、ステップＳ１０で、分光スキャン（波長走査）の開始周波数Ωstart、終了周波数Ωend、周波数刻み幅ΔΩstepを取得する。開始周波数Ωstart、終了周波数Ωend、および周波数刻み幅ΔΩstepの各々は、予めＲＯＭ等の記憶手段に記憶させておき、該記憶手段から読み込んで取得してもよいし、図示しないＵＩ部からそのつど入力されたものを取得してもよい。
　ステップＳ１１では、分光スキャンの回数を計数するカウンタｋの値を０にしてクリアする。
　ステップＳ１２では検出する分子振動周波数Ωdetを、以下に示す（式１）によって設定する。
Ωdet＝Ωstart＋ｋΔΩstep　・・・　（式１）
　ステップＳ１３では、分子振動周波数Ωdetに対応するバンドパスフィルタ１８の回転角θ、および光路長補正値Δδを取得する。分子振動周波数Ωdetは図４に示すグラフの横軸の波長に対応し、回転角θと光路長補正値Δδとの関係は一例として予め図示しないＲＯＭ等の記憶手段にテーブル形式で記憶されている。従って、該テーブルから分子振動周波数Ωdetに対応する回転角θおよび光路長補正値Δδを取得する。
　ステップ１４では、バンドパスフィルタ１８の回転角θおよび光路長補正値Δδをステップ１２で取得された値に設定する。
　ステップ１５では光検出処理を実行し、ロックインアンプの出力データを取得する。
　ステップＳ１６では、ステップＳ１５で取得したロックインアンプの出力データからＳＲＳ信号（ラマン散乱信号）を取得する。
　ステップＳ１７では、分子振動周波数Ωdetが終了周波数Ωendより小さいか否か判定する。当該判定が肯定判定となった場合にはステップＳ１８に移行し、カウンタｋを１インクリメントしてスッテプＳ１２に戻る一方、否定判定となった場合には本光検出処理プログラムを終了する。
　次に、図６を参照し、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いて実際に行ったＳＲＳ信号の検出結果について、比較例に係る光検出装置と比較しつつ説明する。図６Ａは、光検出装置１０によるＳＲＳ信号の検出結果を、図６Ｂは比較例に係る光検出装置によるＳＲＳ信号の検出結果を各々示している。なお、比較例に係る光検出装置は、非特許文献４に開示された装置と同様の構成の装置である。
　試料として、濃度１％のジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の水溶液を用い、光検出装置１０、および比較例に係る光検出装置の両者でラマン分光測定を実施した。その際、両者の光検出装置とも積算時間を１ｓ（秒）とした。図６Ａ、６Ｂには、各々ＤＭＳＯの検出結果と水（図６では「ｗａｔｅｒ」と表記）の測定結果とを示している。上述したように水の検出信号は背景分子振動であり、本実施の形態に係る光検出ではノイズとして作用する。従って、ＤＭＳＯの信号のレベルと水の信号レベルとの差分をＳ／Ｎ比と定義する。
　図６Ａに示すように、光検出装置１０によるＳＲＳ信号の検出結果ではＳ／Ｎ比が約９３となった。これに対し、図６Ｂに示すように、比較例に係る光検出装置による検出結果では、Ｓ／Ｎ比が約２となった。つまり、光検出装置１０は、比較例に係る光検出装置と比較してＳ／Ｎ比が４０数倍に改善していることがわかる。その結果、比較例に係る光検出装置で検出可能な濃度の限界が０．５％（７０ｍＭ（モル）に相当）であったものを、０．０１％（１．４ｍＭに相当）まで下げることが可能となった。なお、図６Ａに示すように、ＤＭＳＯのラマン散乱の発生波数は約６７２ｃｍ－１である。
　図７は、ＤＭＳＯの検出における周波数分解能の一例を示している。図７では、比較として、１プロパノールの検出結果も併せて示している。図７に示すように、ＤＭＳＯのＳＲＳ信号の波数幅は、ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ　Ｗｉｄｔｈ　ａｔ　Ｈａｌｆ　Ｍａｘｉｍｕｍ：半値全幅）で約２６ｃｍ－１となっている。これに対しプローブ光の波数幅は約３２０ｃｍ－１（２０ｎｍに相当）なので、ＳＲＳ信号の波数幅はプローブ光の波数幅の１０分の１以下となっており、十分な周波数分解能が確保されていることがわかる。また図７から、約８６０ｃｍ－１にＳＲＳ信号のピークを有する１プロパノールの分解能も同程度であることがわかる。
　時間分解コヒーレントラマン顕微鏡を用いた光検出装置では、励起光とプローブ光の時間的な重なりがある場合に非共鳴背景光と呼ばれる背景ノイズが発生する。上述したように、本実施の形態に係る光検出装置および光検出方法では、プローブパルス光として本実施の形態に係る光パルス対生成装置で生成された非対称なパルス光を用いることにより励起パルス光から時間的に分離することができるため、この背景ノイズを大幅に低減することが可能となる。
　さらに、本実施の形態に係る光検出装置および光検出方法では、遅延時間τｐｒを設けることにより、励起パルス光の位置を起点として０．５ｐｓ以上離間した時間領域にあるラマン信号を選択的プローブすることができるため、緩和時間の短い水や脂質などに由来する強いラマン散乱背景光を除去することができる。小さな薬剤分子の分子振動寿命は典型的には０．５ｐｓ以上のものが多い。従って本実施の形態によれば、標的となる薬剤分子の濃度分布を高いコントラストで画像化することが可能となる。また、本実施の形態に係る光パルス対生成装置によれば、受動光学素子による簡易な構成にも関わらず、時間波形のサイドローブによるノイズの少ない、高品質な非対称パルス対を生成できるため、分子の検出性能を大幅に向上させる（検出限界濃度を下げる）ことが可能となる。
　なお、上記実施の形態では本光パルス対生成装置をプローブ光の生成に用いる形態を例示して説明したが、これに限られず励起光の生成に用いてもよい。すなわち、立ち上がりが遅く、立ち下がりが速い略同一の非対称パルス対を励起光として用い、急峻に立ち上がる（例えば０．５ｐｓ以下の立ち上がり時間）プローブ光を用いて分子振動に由来するコヒーレントラマン散乱光を検出する形態、すなわち上記実施の形態とは逆の装置構成としてもよい。その場合の波形整形は、バンドパスフィルタに加えて強い非線形分散を与える素子（たとえばジールトロノア共振ミラーなど）を用いて行ってもよい。
　また、上記実施の形態に係る光パルス対生成装置は、コヒーレントラマン散乱の測定に留まらず、他の光周波数変換装置、例えば差周波を用いた中赤外波発生や光整流を用いたテラヘルツ波発生等に転用することが可能である。本実施の形態に係るパルス対発生装置を用いることにより、光パルス対の有する波長帯での波長可変レーザ装置等を実現することができる。
　２０１８年５月１４日に出願された日本国特許出願２０１８－０９３０６７号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
１０　　光検出装置
１１　　光源
１２　　波形整形部
１３　　ＰＢＳ
１４　　１／４波長板
１５　　エンドミラー
１６　　バンドパスフィルタ
１７　　ガラスロッド
１８　　バンドパスフィルタ
１９　　１／４波長板
２０　　エンドミラー
２１　　光変調器
２２　　１／４波長板
２３　　エンドミラー
２４　　波長走査部
２５　　顕微鏡
２６　　偏光子
２７　　ロングパスフィルタ
２８　　受光器
２９、３０、３１　ミラー
３２　　対物レンズ
３３　　試料
３４　　ステージ
４０　　励起パルス光調整部
４１　　局部発振プローブパルス光調整部
４２　　位相変調プローブパルス光調整部
４３　　受光部
４４　　制御部
５０　　パルス光生成部
Ｌｅ　　励起光
Ｌｌ　　局部発振プローブ光
Ｌｐ　　位相変調プローブ光
Ｌｇ　　合波光
Ｐｓ　　光源パルス光
Ｐｅ　　励起パルス光
Ｐｌ　　局部発振プローブパルス光
Ｐｐ　　位相変調プローブパルス光
τｐｒ　　遅延時間
ΩＲ　　　周波数差

Claims (12)

  1. 　予め定められた波長差の中心波長を各々有するとともに、略同一の目標時間波形とされた第１のパルス光と第２のパルス光を含む光パルス対を生成する光パルス対生成装置であって、
    　入射パルス光を２分岐する分岐部と、
    　前記分岐部で分岐された一方のパルス光を前記目標時間波形に整形するとともに中心周波数を設定して前記第１のパルス光とする第１の整形部と、
    　前記分岐部で分岐された他方のパルス光を前記目標時間波形に整形して前記第２のパルス光とする第２の整形部と、を含む
    　光パルス対生成装置。
  2. 　前記第１の整形部は、前記一方のパルス光の前記目標時間波形に対応する帯域幅を有するとともに前記一方のパルス光の伝搬方向と交差する方向に回転可能とされた第１のバンドパスフィルタ、および前記一方のパルス光に可変の時間遅延を与える遅延部材を備え、
    　前記第２の整形部は、前記他方のパルス光の前記目標時間波形に対応する帯域幅を有する第２のバンドパスフィルタを備える
    　請求項１に記載の光パルス対生成装置。
  3. 　前記第１のバンドパスフィルタおよび前記遅延部材により前記波長差を走査する波長走査部が構成され、
    　前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは時間的に重畳されており、
    　前記波長走査部は、前記第１のバンドパスフィルタの回転角によって前記波長差を設定し、前記遅延部材の前記時間遅延によって前記第１のバンドパスフィルタの回転に伴う前記第１のパルス光と前記第２のパルス光との間の時間差を補償する
    　請求項２に記載の光パルス対生成装置。
  4. 　前記分岐部は前記第２のバンドパスフィルタで構成される
    　請求項２または請求項３に記載の光パルス対生成装置。
  5. 　前記第１のパルス光および前記第２のパルス光は立ち上がり時間よりも立下り時間の方が大きくされた非対称波形とされるとともに時間的に重畳されている
    　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光パルス対生成装置。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光パルス対生成装置を含み、励起パルス光、第１のプローブパルス光、および第２のプローブパルス光を用いて光検出を行う光検出装置であって、前記第１のパルス光が前記第１のプローブパルス光とされ、
    　光源パルス光を発生するレーザ光源と、
    　前記光源パルス光を２分岐して前記励起パルス光および前記入射パルス光とする光源分岐部と、
    　前記第２のパルス光を位相変調して第２のプローブパルス光とする変調部と、
    　前記励起パルス光、前記第１のプローブパルス光、および前記第２のプローブパルス光を合波し合波光を生成する合波部と、
    　前記合波光を試料に照射する照射部と、
    　前記合波光が前記試料に照射され前記励起パルス光により励起された分子振動を前記第１のプローブパルス光および第２のプローブパルス光によるヘテロダイン干渉を用いて検出する検出部と、
    　を含む光検出装置。
  7. 　前記第１のプローブパルス光および前記第２のプローブパルス光は立ち上がり時間よりも立下り時間の方が大きくされた非対称波形とされるとともに時間的に重畳され、かつ前記励起パルス光から予め定められた遅延時間だけ遅延している
    　請求項６に記載の光検出装置。
  8. 　前記励起パルス光は予め偏光されており、
    　前記第１のプローブパルス光の波長と前記第２のプローブパルス光の波長が異なり、
    　前記照射部が顕微鏡を含んで構成され、
    　前記検出部は、前記試料に照射された後の前記合波光から前記励起パルス光を除去する偏光子、前記第２のプローブパルス光を除去する光学フィルタ、および前記第１のプローブパルス光を受光する受光部を備える
    　請求項６または請求項７に記載の光検出装置。
  9. 　前記第１の整形部は前記波長差を走査する波長走査部を備え、前記波長走査部は前記一方のパルス光の前記目標時間波形に対応する帯域幅を有するとともに前記一方のパルス光の伝搬方向と交差する方向に回転可能とされた第１のバンドパスフィルタ、および前記一方のパルス光に可変の時間遅延を与える遅延部材を含み、
    　前記第１のバンドパスフィルタの回転角によって前記波長差を設定し、前記遅延部材の前記時間遅延によって前記第１のバンドパスフィルタの回転に伴う前記第１のプローブパルス光と前記第２のプローブパルス光との間の時間差を補償するように前記波長走査部を制御するとともに、前記目標時間波形に対応する帯域幅を有する第２のバンドパスフィルタを透過した第２のプローブパルス光に対して位相が線形に変化する領域と位相差２πだけ急峻に変化する接続領域を含むノコギリ型波形の変調信号による位相変調が施されるように前記変調部を制御する制御部をさらに含む
    　請求項８に記載の光検出装置。
  10. 　前記制御部は前記受光部から出力された受光信号を受け取るとともに、前記受光信号および前記変調信号によりロックインアンプを構成し、前記ロックインアンプによりヘテロダイン干渉の結果第１のプローブパルス光に施された振幅変調信号を誘導ラマン散乱信号に対応する信号として検出する
    　請求項９に記載の光検出装置。
  11. 　前記第１のバンドパスフィルタは前記第１のプローブパルス光に予め定められた奇数次高次分散を付与し、
    　前記第２のバンドパスフィルタは前記第２のプローブパルス光に前記予め定められた奇数次高次分散を付与する
    　請求項１０に記載の光検出装置。
  12. 　光源パルス光を発生するレーザ光源、前記光源パルス光を３分岐して励起パルス光と予め定められた波形を有する第１のプローブパルス光と第２のプローブパルス光とする分岐部、前記第１のプローブパルス光を前記予め定められた波形に整形するとともに中心周波数を設定する第１の整形部、前記第２のプローブパルス光を前記予め定められた波形に整形する第２の整形部、前記第２のプローブパルス光に位相変調を施す変調部、前記励起パルス光、第１のプローブパルス光、および第２のプローブパルス光を合波し合波光を生成する合波部、および前記合波光を試料に照射する照射部を含む光検出装置を用いた分子振動の光検出方法であって、
    　前記第１のプローブパルス光の中心波長と前記第２のプローブパルス光の中心波長との差が前記分子振動の周波数に対応する波長差となるようにし、
    　前記予め定められた波形を、立ち上がり時間よりも立下り時間の方が大きい略同一の非対称波形とし、
    　前記第１のプローブパルス光および前記第２のプローブパルス光を時間的に重畳させるとともに前記励起パルス光から予め定められた遅延時間だけ遅延させ、
    　検出部により、前記合波光が前記試料に照射され前記励起パルス光により励起された分子振動を前記第１のプローブパルス光および第２のプローブパルス光によるヘテロダイン干渉を用いて検出する
    　光検出方法。
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