JP2016145718A - 光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラム - Google Patents
光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016145718A JP2016145718A JP2015022056A JP2015022056A JP2016145718A JP 2016145718 A JP2016145718 A JP 2016145718A JP 2015022056 A JP2015022056 A JP 2015022056A JP 2015022056 A JP2015022056 A JP 2015022056A JP 2016145718 A JP2016145718 A JP 2016145718A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical pulse
- pulse train
- signal
- light
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 210
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 12
- 238000005286 illumination Methods 0.000 title claims description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 24
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 8
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 2
- VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)-N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)C(=O)NCCC(N1CC2=C(CC1)NN=N2)=O VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/636—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited using an arrangement of pump beam and probe beam; using the measurement of optical non-linear properties
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/06—Means for illuminating specimens
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
- G01N2021/653—Coherent methods [CARS]
- G01N2021/655—Stimulated Raman
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
【課題】安定して動作することが可能な光パルス列同期装置を提供すること
【解決手段】第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列21と、第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列22とを同期させる光パルス列同期装置は、第1の光パルス列の光強度と第2の光パルス列の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号を出力する光検出器5、6と、タイミング差に対応する第2の信号を出力する光検出器10と、第2の信号が第1の信号から得られる目標値になるように、前記第1の周期と前記第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号を出力する制御回路11と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列21と、第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列22とを同期させる光パルス列同期装置は、第1の光パルス列の光強度と第2の光パルス列の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号を出力する光検出器5、6と、タイミング差に対応する第2の信号を出力する光検出器10と、第2の信号が第1の信号から得られる目標値になるように、前記第1の周期と前記第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号を出力する制御回路11と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、2台のパルスレーザが出射する2つの光パルス列においてパルスのタイミングを一致させる光パルス列同期装置に関する。
誘導ラマン散乱顕微鏡などの非線形光学過程を利用した非線形光学顕微鏡では、2つのパルスレーザが出射する光パルス列を、パルスのタイミングを一致させた(またはタイミングの差を一定に保った)状態で試料に集光する必要がある。
特許文献1は、2光子吸収を検出する光検出器の出力をパルスタイミング差として検出し、検出値が設定値になるようにパルス周期を調整する誘導ラマン散乱(SRS:StimulatedRaman Scattering)顕微鏡を提案している。特許文献2は、パルスタイミング差を検出する2つの光検出器の出力差に基づいてパルス周期を調整するコヒーレントアンチストークスラマン散乱(CARS:CoherentAnti−StokesRaman Scattering)顕微鏡を提案している。
特許文献1では、パルスレーザが出力する光のパワーが変化した際、同期したパルスのタイミング差が変化する、またはパルス同期が実現できなくなる。特許文献2は、2つの光検出器を用いることで、光のパワーが変化しても光パルス列の同期を実現することができるものの、2つの光検出器は感度を一致させ、かつそれぞれに入力する光のパワーとパルス時間幅が同じになるように構成しなければならない。そうでないと、光パルス列同期が実現できなかったり、同期したパルスのタイミング差が変化したりする。さらに、光検出器の出力は集光する対物レンズと光検出器の受光面の配置に大きく依存するため、2つの光検出器で対物レンズと光検出器の配置を煩雑にも一致させなければならない。
本発明は、安定して動作することが可能な光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラムを提供することを目的とする。
本発明の光パルス列同期装置は、第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列と第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列とを同期させる光パルス列同期装置であって、前記第1の光パルス列の光強度及び前記第2の光パルス列の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号を出力する第1の検出手段と、前記第1の光パルス列に含まれる光パルス及び前記第2の光パルス列に含まれる光パルスが到達するタイミング差に対応する第2の信号を出力する第2の検出手段と、前記第2の信号が前記第1の信号から得られる目標値になるように、前記第1の周期及び前記第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号を出力する制御手段と、を有することを特徴とする。
本発明は、安定して動作することが可能な光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラムを提供することを目的とする。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図1は、実施例1の光パルス列同期装置(以下、単に「同期装置」と称する)の光路図である。同期装置は、パルスレーザ(第1の光源手段)1が出射する第1の光パルス列21とパルスレーザ(第1の光源手段とは異なる第2の光源手段)2が出射する第2の光パルス列22を同期させる。同期装置、パルスレーザ1及びパルスレーザ2は、試料を照明する照明装置を構成する。
光パルス列は、パルスレーザが発する一連の光パルスである。即ち、同期装置は、第1の光パルス列21に含まれる光パルスと第2の光パルス列22に含まれる光パルスが到達するタイミング差を一定に維持する。第1の光パルス列21の波長(λ1)と第2の光パルス列22の波長(λ2)は互いに異なるものとする。
パルスレーザ1は、その共振器長を変更させることができ、第1の光パルス列21のパルス周期(第1の周期)を調整することができる。パルスのタイミングずれに応じて第1の周期を調整し、第2の光パルス列22のパルス周期(第2の周期)と第1の周期の比を正確に整数対整数とすることで、パルスのタイミングを一致させることができる。第1の光パルス列は第1の周期で生成される光パルスを含み、第2の光パルス列は第2の周期で生成される光パルスを含む。
ビームスプリッタ3は、パルスレーザ1が出射した光ビームの一部を右方向に反射し、残りを下方向に透過する。ビームスプリッタ4は、パルスレーザ2が出射した光ビームの一部を下方向に反射し、残りを右方向に透過する。ビームスプリッタ3および4は、一定の割合で入射光を反射させることができればよいため、ガラス平板を利用することができる。また、所定の反射率となるようコーティングを施した平板でもよいし、偏光ビームスプリッタを利用してもよい。
光検出器5は、ビームスプリッタ3で反射した光を受光し、入射光(第1の光パルス列21)のパワーに比例した信号を取得する。即ち、光検出器5は、第1の光パルス列21の光強度に対応する信号(第1の信号)を出力する光強度検出手段(第1の検出手段)として機能する。光検出器6は、ビームスプリッタ4で反射した光を受光し、入射光(第2の光パルス列22)のパワーに比例した信号を取得する。即ち、光検出器6は、第2の光パルス列22の光強度に対応する信号(第1の信号)を出力する光強度検出手段(第1の検出手段)として機能する。
光検出器5及び6は、フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなどの受光素子と受光素子で発生した電流を電圧に変換する電気回路からなる。後述する実施例2で説明するように、光検出器5と6は少なくとも一方が設けられていれば足りる。即ち、光強度検出手段は、第1の光パルス列21の光強度と第2の光パルス列22の光強度の少なくとも一方を検出すれば足りる。
ダイクロイックミラー7は、第1の光パルス列21を透過させ、第2の光パルス列22を反射させることで、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22を同軸に合波させる。ダイクロイックミラー7には、波長λ1の光を透過させ、波長λ2の光を反射させるように設計した誘電体多層膜を利用する。
ビームスプリッタ8は、ダイクロイックミラー7で合波された第1の光パルス列21と第2の光パルス列22を2方向に分波する。入射光の一部は反射して同期装置で利用し、入射光の残りは透過して非線形光学顕微鏡など同期した光パルス列が必要なシステムで利用する。
ビームスプリッタ8は、一定の割合で入射光を反射させることができればよいため、ガラス平板を利用することができる。また、所定の反射率となるようコーティングを施した平板を利用してもよいし、偏光ビームスプリッタを利用してもよい。
ビームスプリッタ8で反射した第1の光パルス列21及び第2の光パルス列22は、対物レンズ9により光検出器10の受光面上に集光される。光検出器10で検出する2光子吸収信号を大きくするため、対物レンズ9は開口数が0.5以上のものが好ましい。
光検出器10は、第1の光パルス列21に含まれる光パルスと第2の光パルス列22に含まれる光パルスが受光面に到達するタイミング差に対応するタイミング差検出信号(第2の信号)を出力するタイミング差検出手段(第2の検出手段)として機能する。光検出器10は、例えば、フォトダイオードなどの受光素子と、受光素子で生じた電流を電圧に変換して出力する電気回路からなる。光検出器10の受光素子は、2光子吸収信号を得るために、第1の光パルス列21の光子エネルギー(E1∝1/λ1)と第2の光パルス列22の光子エネルギー(E2∝1/λ2)の和、つまりE1+E2に対応した波長λ1・λ2/(λ1+λ2)に感度を有する。λ1が1030ナノメートル、λ2が800ナノメートルである場合、450ナノメートルに光検出の感度があればよい。
図2は、光検出器10の出力電圧(縦軸)と、第1の光パルス列21が光検出器10の受光面に到着したタイミングから第2の光パルス列22が同受光面に到達したタイミングを差し引いた差(横軸)の関係を示すグラフである。
光検出器10の出力(タイミング差検出信号)には、E1+E2に対応した2光子吸収信号以外にE1+E1およびE2+E2に対応した2光子吸収信号が含まれる。E1+E1およびE2+E2に対応した2光子吸収信号は、E1+E2に対応した2光子吸収信号にオフセットを与えている。E1+E1およびE2+E2に対応した2光子吸収はそれぞれ第1および第2の周期で発生するが、光検出器10の出力電圧の帯域周波数をこれらの周期に対応した周波数に比べて小さく設定しているため、出力電圧としてはDC成分(オフセット)となる。
E1+E2に対応した2光子吸収信号は、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のタイミングが一致したとき(つまり、同時に光検出器10の受光面に到達したとき)に発生する。2つのパルスのピーク強度が完全に一致したとき、最大の信号が得られ、その信号は、第1の光パルス列21のパワーと第2の光パルス列22のパワーの積に比例する。つまり、E1+E2に対応した2光子吸収信号の最大値は、比例係数a0と光検出器5の出力電圧V1と光検出器6の出力電圧V2を用いて、a0・V1・V2と表現できる。
同様に、E1+E1に対応した2光子吸収信号は、比例係数a1とV1を用いて、a1・V1・V1と表現でき、E2+E2に対応した2光子吸収信号は比例係数a2とV2を用いて、a2・V2・V2と表現できる。
比例係数a0、a1、a2は、オシロスコープやデータロガーなどを用いて取得した図2に対応するデータと、光検出器5および6の出力電圧から容易に算出することができ、記憶手段に記憶されている。
光検出器10の出力電圧、光検出器5の出力電圧および光検出器6の出力電圧は、制御回路11に入力される。制御回路11は、入力電圧に基づいて、パルス同期するための信号をパルス周期調整手段12へ出力する制御手段であり、マイクロコンピュータから構成される。制御回路11は、光検出器10の出力電圧(第2の信号)が、次式に示す第1の信号から得られる目標値になるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号をパルス周期調整手段12へ出力する。つまり、制御回路11は、パルスレーザ1及び2の少なくとも一方に、制御信号を入力する。
目標値=a0/2・V1・V2+a1・V1・V1+a2・V2・V2 (1)
即ち、制御回路は、タイミング差検出信号が目標値VAになるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方(ここでは、第1の周期)を調整するための制御信号を出力する。なお、目標値はVAに限定されるものではない。
即ち、制御回路は、タイミング差検出信号が目標値VAになるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方(ここでは、第1の周期)を調整するための制御信号を出力する。なお、目標値はVAに限定されるものではない。
制御回路11は、光検出器10の出力電圧の目標値の情報を保存する記憶手段を有しており、この目標値は書き換え可能である。このため、記憶手段は、例えば、EEPROMなどから構成される。目標値の情報は、例えば、数式(1)、比例係数a0、a1、a2、εを含む。
パルス周期調整手段12は、位相変調器またはミラーを取り付けたステージによって構成され、位相変調器への電圧印加やステージ駆動によりパルスレーザ1の共振器長を調整する。共振器長の調整により、第1の周期が変更され、パルスタイミングを調整することができる。また、パルス周期調整手段12は、パルスレーザ1内ではなく、パルスレーザ2内に設置して、パルスレーザ2の共振器長を調整してもよい。本発明では、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方を調整するパルス周期調整手段が設けられていれば足りる。
制御回路11は、図2の一点鎖線で示すタイミング差が得られるように、第1の周期を制御する。パルス同期しているときの、光検出器10の受光面における第1の光パルス列21および第2の光パルス列22の強度(縦軸)と時間t(横軸)の関係を、それぞれ図3(a)および(b)に示す。パルス同期が実現すると、第1の光パルス列21の特定の光パルス21Aの強度ピークと、第2の光パルス列22の特定の光パルス22Aの強度ピークの間のタイミング差が、図2に示すパルス同期した際のタイミング差TDと一致する。パルス同期が継続的に実現すると、光パルス21Aに隣接した光パルス21Bに対しても、図2で示したタイミング差を持って、光パルス列22の光パルス22Bが光検出器10の受光部に到達する。
図3において、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のパルス周期の比を2:1としたが、パルス周期の比2:1は一例であり、本発明はパルス周期の比がm:nの場合に適用することができる。但し、m、nはそれぞれ任意の自然数である。
光検出器10の出力電圧が目標値VAよりも高い場合、図3に示すパルス同期状態よりも、光パルス21Aと光パルス22Aが近接することになる。よって、制御回路11は、第1の光パルス列21が進むよう、第1の周期を小さくするような(共振器長を小さくするような)信号をパルス周期調整手段12へ出力する。逆に、光検出器10の出力電圧が目標値VAよりも低い場合、制御回路11は、第2の光パルス列22に対して第1の光パルス列21が遅れるよう、第1の周期を大きくするような(共振器長を大きくするような)信号をパルス周期調整手段12へ出力する。パルス周期調整手段12へ出力する信号は、図2において、一点鎖線で示した領域近傍で制御が安定して行われるよう帯域と電圧の振幅を設定する。
上述の制御により、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22は、光検出器10の受光面で一定のタイミング差が維持される。
ここで、パルスレーザ1またはパルスレーザ2の出力パワーが変化した際の、同期装置の振る舞いについて考察する。従来の同期装置では、目標値VAは固定値であった。出力パワーが減少したときの光検出器10の出力電圧とパルスタイミング差の関係を図2の破線で示す。E1+E2に対応した2光子吸収信号が減少するだけでなく、オフセット電圧を与えているE1+E1、E2+E2に対応した2光子吸収信号も減少する。結果として、出力パワー減少前に設定していた目標値VAに、光検出器10の出力電圧が達することはなく、パルス同期することができなくなる。出力パワーの変化量が小さい場合はパルス同期することができても、パルスのタイミング差が出力パワーの変化に応じて変わる。このため、従来の同期装置では、同期装置に入力する光のパワーが変化した場合、パルス同期が継続できない、パルス同期が安定しない(パルスのタイミング差が一定ではない)といった課題があった。
そこで、制御回路11は、光検出器5及び6の検出結果に基づいて、目標値VAを図2の二点鎖線で示す目標値VBに変更(調整)する。目標値の変更により、同期装置に入力する光のパワーが変化しても、パルス同期を継続させ、パルスのタイミング差も一定に保つことができる。
制御回路11は、光検出器5及び6の検出結果の少なくとも一方が変化と、記憶手段に記憶された目標値の情報(本実施例では、数式(1)、比例係数a0、a1、a2)に基づいて目標値を算出する(算出ステップ)。算出ステップは、本実施例では常時行われるが、光検出器5及び6の検出結果が変化するたびに行われたり、定期的に行われたりしてもよい。これにより、目標値が随時更新される。目標値VA、VBは共に数式(1)で表される。また、このときタイミング差TDも維持されるので、数式(1)は、所定のタイミング差を維持する機能も有する。
数式(1)において、第1項の比例係数はパルス同期が最も安定な値としてa0/2としたが、0〜a0の範囲であれば他の値に設定してもパルス同期が可能である。比例係数a0/2を比例係数a3(=a0・ε)とおいて数式(1)を変形すると以下のようになる。εは0〜1の範囲の値であり、1/2またはその近傍においてパルス同期が最も安定する。
目標値=a3・V1・V2+a1・V1・V1+a2・V2・V2 (1’)
第1項の比例係数を0〜a0の範囲で調整することで、光検出器10の受光面における第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のタイミング差を調整することもできる。光検出器10の受光面におけるタイミング差を変更することで、ビームスプリッタ8を透過し、非線形光学顕微鏡で利用する光パルス列のタイミング差を変更することができる。タイミング差の調整は、ダイクロイックミラー8から光検出器10の受光面までの光路長を第1の光パルス列21と第2の光パルス列22とで差をつけることでも行うことができる。例えば、ダイクロミラー8と対物レンズ9の間にステージとミラーで構成するディレイ調整機構やガラスブロックを挿入することでパルスのタイミング差を調整できる。
第1項の比例係数を0〜a0の範囲で調整することで、光検出器10の受光面における第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のタイミング差を調整することもできる。光検出器10の受光面におけるタイミング差を変更することで、ビームスプリッタ8を透過し、非線形光学顕微鏡で利用する光パルス列のタイミング差を変更することができる。タイミング差の調整は、ダイクロイックミラー8から光検出器10の受光面までの光路長を第1の光パルス列21と第2の光パルス列22とで差をつけることでも行うことができる。例えば、ダイクロミラー8と対物レンズ9の間にステージとミラーで構成するディレイ調整機構やガラスブロックを挿入することでパルスのタイミング差を調整できる。
制御回路11が実行する、第1の周期で生成される第1の光パルス列と第2の周期で生成される第2の光パルス列とを同期させる光パルス列同期方法も本発明の一側面を構成する。この光パルス列同期方法は、タイミング差検出信号が目標値になるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方を調整させる信号をパルス周期調整手段に出力するステップを有する。また、この光パルス列同期方法は、コンピュータによって実行され、算出ステップと出力ステップを有する。算出ステップでは、第1の光パルス列21の光強度及び第2の光パルス列22の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号から目標値を算出する。第2の信号は、第1の光パルス列21に含まれる光パルスと第2の光パルス列22に含まれる光パルスとのタイミング差に対応する。出力ステップでは、第2の信号が目標値になるように、第1の周期と第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号をパルス周期調整手段12に出力する。本実施例では、図2に示す第2の信号が実線状態から破線状態に変化したことを判断する必要がなく、第1の信号の変化に基づいて目標値を再設定してパルス周期調整を行っているため、制御回路11の演算負荷が小さい。コンピュータにこの光パルス列同期方法を実行させるためのプログラムも本発明の一側面を構成する。かかるプログラムは、例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体に格納されてもよい。
図4は、実施例2の同期装置のブロック図である。本実施例は、図2に示すビームスプリッタ4および光検出器6を利用せず、パルスレーザ2として、出力する光のパワーが安定したレーザを用いる。この場合、光パルス列22のパワーは一定であるので、図2に示すE1+E2に対応した2光子吸収信号a0・V1・V2において、a0・V2を定数b0とみなすことができる。同様に、E2+E2に対応した2光子吸収信号a2・V2・V2は定数b1とみなすことができる。つまり、実施例2において、光検出器10の出力電圧は、図5のように表される。
比例係数b0、a1、b1は、オシロスコープやデータロガーなどを用いて取得した図5に対応するデータ、光パルス列21を遮光したときの光検出器5の出力電圧、および光パルス列22を遮光した時の光検出器5の出力電圧を基に算出することができる。比例係数b0、a1、b1は、記憶手段に記憶することができる。実施例2では、光検出器10の出力電圧の目標値VA、VBを数式(2)のように設定することによって実施例1と同様にパルス同期が実現できる。
目標値=b0/2・V1+a1・V1・V1+b1 (2)
実施例1と同様にして、比例係数b0/2を比例係数b2(=b0・ε)とおいて数式(2)を変形すると以下のようになる。εは0〜1の範囲の値であり、1/2またはその近傍においてパルス同期が最も安定する。
実施例1と同様にして、比例係数b0/2を比例係数b2(=b0・ε)とおいて数式(2)を変形すると以下のようになる。εは0〜1の範囲の値であり、1/2またはその近傍においてパルス同期が最も安定する。
目標値=b2・V1+a1・V1・V1+b1 (2’)
実施例1及び2によれば、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22の間のタイミング差は一定に保たれる。実施例2は、光検出器10の受光素子がバンドギャップなどの特性からE2+E2の2光子吸収に感度を持たない、つまり、λ2の半分の波長に感度を持たない場合にも、パルス同期を安定化させる効果がある。この場合、E2+E2に対応した2光子吸収信号(a2・V2・V2)はゼロで一定となるため、E2+E2の2光子吸収信号の変化に対応するために光検出器6の出力電圧V2を利用する必要はない。つまり、光検出器6を省いてもパルス同期を安定に実施することができる。ただし、E1+E2に対応した2光子吸収信号(a0・V1・V2)の変化には対応できないので、第2の光パルス列22のパワー(V2)が変化した場合、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のパルスのタイミング差が変化する。
実施例1及び2によれば、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22の間のタイミング差は一定に保たれる。実施例2は、光検出器10の受光素子がバンドギャップなどの特性からE2+E2の2光子吸収に感度を持たない、つまり、λ2の半分の波長に感度を持たない場合にも、パルス同期を安定化させる効果がある。この場合、E2+E2に対応した2光子吸収信号(a2・V2・V2)はゼロで一定となるため、E2+E2の2光子吸収信号の変化に対応するために光検出器6の出力電圧V2を利用する必要はない。つまり、光検出器6を省いてもパルス同期を安定に実施することができる。ただし、E1+E2に対応した2光子吸収信号(a0・V1・V2)の変化には対応できないので、第2の光パルス列22のパワー(V2)が変化した場合、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22のパルスのタイミング差が変化する。
特許文献2では、パルスのタイミング差として2光子吸収信号を検出するディテクタを2つ用いており、2つのディテクタの信号の差分を利用した制御により光パルス列を同期させている。2光子吸収信号は照射する光のパワー、パルス幅および(対物レンズとディテクタ受光面の)アライメントに依存し、特許文献2では2つのディテクタでこれらを煩雑にも一致させなければならない。
実施例1、2は、アライメントに敏感な2光子吸収信号を検出する光検出器は1つの光検出器10だけの簡易な構成であり、光検出器5及び6(または光検出器5のみ)を利用することで光パワーが変化しても光パルス列を安定に同期させることができる。
図6は、実施例3の顕微鏡システム(検出装置)のブロック図である。顕微鏡システムは、SRS顕微鏡100と、光パルス列同期装置200と、を有する。SRS顕微鏡100は、2つのパルスレーザ1、2から射出される異なる波長の2つの光パルス列を合波し、試料105に集光して同時に照射することによって発生する誘導ラマン散乱(SRS)光を検出する。即ち、SRS顕微鏡100は、2つのパルスレーザから射出される異なる波長の2つの光パルス列を試料に照射し、非線形光学過程を利用して試料を観察する非線形光学顕微鏡の一種である。同期装置200は、2つのパルスレーザ1、2から射出される光パルス列を同期させる。
SRSは、非線形光学現象の一つであり、それぞれの波長の光の強度の積に比例して発生する。効率よくSRSを発生させるために、2つの波長のレーザの光ビームを同一地点に集光し、かつ2つの波長の光パルス列が同時に集光するよう光パルス列を同期させる。SRSが発生すると、2つの波長の光パルス列のうち、波長が短い方の光パルス列の強度が弱まり、波長が長い方の光パルス列の強度が強まる。また、SRSを効率よく発生させるため、パルス時間幅が1〜10ピコ秒の短パルスレーザを利用するのが望ましい。
パルスレーザ1および2として、パルス周期が2:1の光パルス列を利用する。図7(a)はパルスレーザ1が生成する第1の光パルス列21を表し、図7(b)はパルスレーザ2が生成する第2の光パルス列22を表す。図7(a)と図7(b)は、共に横軸が時間(t)を表し、縦軸は光強度を表している。第1の光パルス列21の波長(λ1)は、第2の光パルス列22の波長(λ2)より大きいとする。
パルスレーザ1として中心波長1030ナノメートル、パルス周期25ナノ秒のイッテルビウムドープファイバレーザを利用する。パルスレーザ2としては、中心波長800ナノメートル、パルス周期12.5ナノ秒の固体レーザ(チタンサファイアレーザ)を利用する。例えば、Spectra−Physics社のMai Taiを利用する。
第1の光パルス列21と第2の光パルス列22が、図7(a)および図7(b)に示すように、タイミングが一致し、かつ試料上の同一地点に集光されると、SRSによって試料を透過した光パルス列の光強度が変化する。図7(b)における光パルス41、43、45の強度は小さくなり、光パルス42と44の強度は変化しない。この隣接したパルスの強度の差は微小であるため、同期検波により検出する。
検出した強度の差がSRS信号に対応し、光ビームを集光させた地点に含まれる分子の情報が反映される。例えば、前記地点に含まれる分子振動の共振周波数と2つのレーザの光周波数の差(c/λ2−c/λ1)が一致したとき、SRS信号が大きくなる。cは光速である。2つのレーザの光周波数の差(c/λ2−c/λ1)を変化させながら、SRS信号を取得することでラマンスペクトルを取得できる。ラマンスペクトルを得るためは2つのレーザの少なくとも一方の波長を変化させる。ラマンスペクトルから試料にどのような分子が含まれるか推定できる。SRS顕微鏡は自発ラマン散乱を利用した顕微鏡と同等のスペクトルを取得することができる。SRSの散乱効率は自発ラマン散乱の散乱効率より非常に大きいため、SRS顕微鏡は自発ラマン散乱を利用した顕微鏡より短い時間でラマンスペクトルを取得することができる。
パルスレーザ1及び2から照射される光ビームは、同期装置200へ入射し、第1の光パルス列21と第2の光パルス列22がSRS顕微鏡で観察する試料において、そのタイミングが一致するように同期される。ダイクロイックミラー7により同軸に合波された光パルス列21と光パルス列22は、ビームスプリッタ8を透過して、SRS顕微鏡100へ入射する。
SRS顕微鏡100はレーザ走査顕微鏡の構成をしている。2つのパルスレーザの光ビームは、同軸でビームスキャナ101に入射し、ビームスキャナ101により偏向して出射する。ビームスキャナ101はガルバノスキャナとレゾナントスキャナで構成され、直交する2方向に光軸の向きを変える。図の簡略化のため、ビームスキャナ101内の2つのミラーは図6において1つのミラーで代表して表示している。レゾナントスキャナ(スキャン周波数8kHz)とガルバノスキャナ(スキャン周波数15Hz)を利用すれば、500ラインの画像を毎秒30フレーム取得することができる。
ビームスキャナ101で偏向された光ビームは、レンズ102、103を通して対物レンズ104に入射する。ビームスキャナ101と対物レンズ104の入射瞳が共役となるようにレンズ102、103を配置することで、ビームスキャナ101で光ビームが偏向しても、遮光により光量が変化することなく試料105に集光する。レンズ102、103による光学系の倍率は、対物レンズ104の入射瞳サイズと入射する光ビームサイズが同等になるように選択する。そうすれば、対物レンズ104により集光する光スポットサイズを最小化させ、SRS信号を検出する空間分解能を向上させることができる。また、光スポットの強度が高まることでSRS信号が大きくなるので、SRS信号を検出するSN比も向上する。対物レンズ104は、SRS信号を検出する空間分解能と信号対雑音比の観点から、大きい開口数(NA)が望ましい。
試料105は、図示していないカバーガラスやスライドガラスにより挟まれている。ビームスキャナ101による光ビームの偏向により、試料105に集光した光スポットは2次元走査され、SRS信号が2次元画像化される。SRS信号は、集光した光スポットでのみ生じるため、図示していないステージにより試料105を光軸方向に移動させることで3次元画像を得ることもできる。
対物レンズ106は、試料105を透過しSRSによって強度変調をうけた光をもれなく受け取るべく、対物レンズ104のNAと同等以上のNAを有する。対物レンズ106を出射した光ビームはフィルタ107、レンズ108を透過した後、フォトダイオード109の受光面に照射される。フィルタ107は、誘電体多層膜で構成され、波長λ1の光を遮断させ、波長λ2の光を透過させる。フォトダイオード109には、パルスレーザ2から出射し、SRSによる強度変調を1パルス毎に繰り返す光パルスが照射され、フォトダイオード109は、これを検出する。フォトダイオード109は、800ナノメータの光に感度をもつシリコンフォトダイオードで遮断周波数が40MHz以上であるものを利用する。
パルスレーザ2の光パルス列22の繰り返し周波数80MHz(パルス周期12.5ナノ秒)に対して、SRSによる強度変調は40MHz(周期25ナノ秒)である。電流電圧変換回路110は、フォトダイオード109で発生した電流信号を電圧として出力するための電気回路である。
同期検波回路111は、電流電圧変換回路110が出力する電圧信号から40MHz成分の振幅を抽出し電圧として出力するもので、ミキサ回路またはロックインアンプを利用する。同期検波回路111の出力電圧は、試料105における集光点でSRSがどの程度起きたかを示す。
コンピュータ112は、ビームスキャナ101の制御信号を利用し、同期検波回路111の出力信号(SRS信号)を2次元画像化し、表示する。コンピュータ112は、図示しないステージで試料105を光軸方向に移動させて取得したSRS信号を、3次元画像表示することもできる。また、コンピュータ112は、2つのパルスレーザの少なくとも一方の波長を変化させて取得したSRS信号からラマンスペクトルを表示することもできる。
本発明は、第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列と、第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列とを同期させる用途に適用することができる。
5、6…光検出器(第1の検出手段)、10…光検出器(第2の検出手段)、11…制御回路(制御手段)、21…第1の光パルス列、22…第2の光パルス列、200…光パルス列同期装置、VA、VB…目標値
Claims (15)
- 第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列と第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列とを同期させる光パルス列同期装置であって、
前記第1の光パルス列の光強度及び前記第2の光パルス列の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号を出力する第1の検出手段と、
前記第1の光パルス列に含まれる光パルス及び前記第2の光パルス列に含まれる光パルスが到達するタイミング差に対応する第2の信号を出力する第2の検出手段と、
前記第2の信号が前記第1の信号から得られる目標値になるように、前記第1の周期及び前記第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号を出力する制御手段と、
を有することを特徴とする光パルス列同期装置。 - 前記第1の光パルス列の光強度に対応する前記第1の信号の出力電圧をV1、前記第2の光パルス列の光強度に対応する前記第1の信号の出力電圧をV2、比例係数をa1、a2、a3とすると、前記第1の信号から得られる前記目標値は、a3・V1・V2+a1・V1・V1+a2・V2・V2で表されることを特徴とする請求項1に記載の光パルス列同期装置。
- 比例係数a3は、比例係数a0とεを用いてa0・εで表され、εは0〜1の範囲の値であることを特徴とする請求項2に記載の光パルス列同期装置。
- εは1/2であることを特徴とする請求項3に記載の光パルス列同期装置。
- 前記第2の光パルス列の光強度は一定であり、
前記第1の光パルス列の光強度に対応する前記第1の信号の出力電圧をV1、前記第2の光パルス列の光強度に対応する前記第1の信号の出力電圧をV2、比例係数をa1、b1、b2とすると、前記第1の信号から得られる前記目標値は、b2・V1+a1・V1・V1+b1で表されることを特徴とする請求項1に記載の光パルス列同期装置。 - 比例係数b2は、比例係数b0とεを用いてb0・εで表され、εは0〜1の範囲の値であることを特徴とする請求項5に記載の光パルス列同期装置。
- εは1/2であることを特徴とする請求項6に記載の光パルス列同期装置。
- 前記制御手段は、前記第1のパルス列を生成する第1の光源手段及び前記第2のパルス列を生成する第2の光源手段の少なくとも一方に、前記制御信号を入力することを特徴とする請求項1乃至7のうちいずれか1項に記載の光パルス列同期装置。
- 前記第2の検出手段は、2光子吸収により発生した電流を電圧に変換するフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の光パルス列同期装置。
- 前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列を前記フォトダイオードの受光面に集光する対物レンズを更に有することを特徴とする請求項9に記載の光パルス列同期装置。
- 請求項1乃至10のうちいずれか1項に記載の光パルス列同期装置と、前記第1のパルス列を生成する第1の光源手段と、前記第2のパルス列を生成する第2の光源手段と、を備えることを特徴とする照明装置。
- 請求項11に記載の照明装置と、前記第1及び第2の光パルス列が試料に照射されることにより強度変調された光を検出する受光手段と、を有することを特徴とする検出装置。
- 前記受光手段は、前記第1及び第2の光パルス列が試料に照射されることにより生じる誘導ラマン散乱により強度変調された光を検出することを特徴とする請求項12に記載の検出装置。
- 第1の周期で生成される光パルスを含む第1の光パルス列と第2の周期で生成される光パルスを含む第2の光パルス列とを同期させる光パルス列同期方法であって、
前記第1の光パルス列の光強度及び前記第2の光パルス列の光強度の少なくとも一方に対応する第1の信号から目標値を算出する算出ステップと、
前記第1の光パルス列に含まれる光パルスと前記第2の光パルス列に含まれる光パルスが到達するタイミング差に対応する第2の信号が、前記算出ステップで算出された前記目標値になるように、前記第1の周期と前記第2の周期の少なくとも一方を調整するための制御信号を出力する出力ステップと、
を有することを特徴とする光パルス列同期方法。 - コンピュータに請求項14に記載の光パルス列同期方法を実行させるためのプログラム。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015022056A JP2016145718A (ja) | 2015-02-06 | 2015-02-06 | 光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラム |
PCT/JP2016/000398 WO2016125458A1 (en) | 2015-02-06 | 2016-01-27 | Light pulse train synchronizer, light pulse train synchronizing method, illumination apparatus, detection apparatus, and program |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015022056A JP2016145718A (ja) | 2015-02-06 | 2015-02-06 | 光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016145718A true JP2016145718A (ja) | 2016-08-12 |
Family
ID=56563813
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015022056A Pending JP2016145718A (ja) | 2015-02-06 | 2015-02-06 | 光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラム |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016145718A (ja) |
WO (1) | WO2016125458A1 (ja) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03282336A (ja) * | 1990-03-30 | 1991-12-12 | Okazaki Kokuritsu Kyodo Kenkyu Kikouchiyou | 超短幅パルス光の波形計測方法及び装置 |
JP5501360B2 (ja) * | 2009-06-03 | 2014-05-21 | キヤノン株式会社 | 光学顕微鏡およびその制御方法 |
-
2015
- 2015-02-06 JP JP2015022056A patent/JP2016145718A/ja active Pending
-
2016
- 2016-01-27 WO PCT/JP2016/000398 patent/WO2016125458A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016125458A1 (en) | 2016-08-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9103726B2 (en) | Stimulated raman scattering detection apparatus | |
JP4862164B2 (ja) | パルスレーザ光のタイミング調整装置、調整方法及び光学顕微鏡 | |
US9207183B2 (en) | Stimulated raman scattering measurement apparatus | |
JP5958779B2 (ja) | 顕微鏡及び観察方法 | |
US9356413B2 (en) | Laser source apparatus and laser microscope | |
JP6598437B2 (ja) | 光パルス同期装置および顕微鏡システム | |
US20180073976A1 (en) | Image-obtaining device and image-obtaining method | |
JP2006275908A (ja) | 信号光パルス多重化ユニット及びそれを用いた時間分解計測装置 | |
JP2019086374A (ja) | 光検出装置およびレーザ走査型顕微鏡 | |
JPWO2016079845A1 (ja) | ノイズ低減装置及びそれを備える検出装置 | |
WO2016006224A1 (en) | Light pulse synchronizer, illumination apparatus, optical microscope, and light pulse synchronization method | |
JP2016145718A (ja) | 光パルス列同期装置、光パルス列同期方法、照明装置、検出装置およびプログラム | |
WO2015046070A1 (ja) | 光学測定装置および光学測定方法 | |
JP2018091833A (ja) | ノイズ低減装置およびそれを有する検出装置 | |
JP6643896B2 (ja) | 光パルス列同期装置、光学顕微鏡及び光パルス列同期方法 | |
US10132681B2 (en) | Noise reduction apparatus and detection apparatus including the same | |
JP5198213B2 (ja) | レーザ顕微鏡装置 | |
JP5831782B2 (ja) | 顕微鏡装置 | |
JP6566805B2 (ja) | 光パルス列同期装置、照明装置および検出装置 | |
JP5917664B2 (ja) | 誘導ラマン散乱計測装置および誘導ラマン散乱計測方法 | |
KR101913959B1 (ko) | 이미지 처리 장치 및 이를 포함하는 광학 현미경 시스템 | |
JP2017083307A (ja) | 検出装置 | |
JP2016073507A (ja) | 断層撮像装置およびその制御方法 | |
JP2014170766A (ja) | レーザ装置 |