JP6304968B2 - 情報取得装置 - Google Patents
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Description
本発明は、情報取得装置に関するものであり、中心波長が異なる複数のパルス光を用いた情報取得装置に関するものである。
パルス光を対象物に照射し、測定対象物から反射、散乱する光、または測定対象物を透過する光、あるいは測定対象物において発光する光を検出し情報を取得することで、測定対象物についての様々な情報を得ることができる。
近年、中心波長が異なり、波長差が可変な２波長のパルス光を対象物に照射し、測定対象物からの誘導ラマン散乱やコヒーレントアンチストークスラマン散乱に基づく光を検出し、ラマンスペクトルを得ることで物質同定を行う研究が盛んに行われている。誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を以下ではＳＲＳと略すことがある。またコヒーレントアンチストークスラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を以下ではＣＡＲＳと略すことがある。
非特許文献１では以下の方法が開示されている。すなわち、特定波長を持つパルス光を、パルス光の波長に対して正常分散特性を持つフォトニック結晶ファイバーに入射させてスペクトル幅の狭い波長変換光を生成し、波長変換前後の２波長のパルス光を用いてＣＡＲＳイメージングを行う。
また、特許文献１では以下の方法が開示されている。すなわち、特定波長を持つパルス光を、パルス光の波長に対して異常分散特性を持つ複数のフォトニック結晶ファイバーに入射させてスペクトル幅の広い波長変換光を生成し、波長変換前後の２波長のパルス光を用いてＣＡＲＳイメージングを行う。
近年、中心波長が異なり、波長差が可変な２波長のパルス光を対象物に照射し、測定対象物からの誘導ラマン散乱やコヒーレントアンチストークスラマン散乱に基づく光を検出し、ラマンスペクトルを得ることで物質同定を行う研究が盛んに行われている。誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を以下ではＳＲＳと略すことがある。またコヒーレントアンチストークスラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を以下ではＣＡＲＳと略すことがある。
非特許文献１では以下の方法が開示されている。すなわち、特定波長を持つパルス光を、パルス光の波長に対して正常分散特性を持つフォトニック結晶ファイバーに入射させてスペクトル幅の狭い波長変換光を生成し、波長変換前後の２波長のパルス光を用いてＣＡＲＳイメージングを行う。
また、特許文献１では以下の方法が開示されている。すなわち、特定波長を持つパルス光を、パルス光の波長に対して異常分散特性を持つ複数のフォトニック結晶ファイバーに入射させてスペクトル幅の広い波長変換光を生成し、波長変換前後の２波長のパルス光を用いてＣＡＲＳイメージングを行う。
Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｖｏｌ．２０， Ｎｏ．１９， ｐｐ．２１０１０−２１０１８， １０ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１２
しかし、上記従来のものでは、つぎのような課題を有している。
すなわち、非特許文献１に開示の方法では、光源の波長可変範囲が狭く、生体で発生するＣＡＲＳ信号の周波数範囲が狭いという問題があった。
また、光源のノイズ成分が大きく、ＣＡＲＳ信号に対するノイズの比（ＳＮ比）が低下するという問題があった。
また、特許文献１に開示の方法では、異常分散特性（群速度分散β２＜０）を持つフォトニック結晶ファイバーを用いるため、波長変換後の波長幅が広く、用いるパルス光の利用効率が小さいという問題があった。また、光源のノイズ成分が大きく、ＳＮ比が低下するという問題があった。
すなわち、非特許文献１に開示の方法では、光源の波長可変範囲が狭く、生体で発生するＣＡＲＳ信号の周波数範囲が狭いという問題があった。
また、光源のノイズ成分が大きく、ＣＡＲＳ信号に対するノイズの比（ＳＮ比）が低下するという問題があった。
また、特許文献１に開示の方法では、異常分散特性（群速度分散β２＜０）を持つフォトニック結晶ファイバーを用いるため、波長変換後の波長幅が広く、用いるパルス光の利用効率が小さいという問題があった。また、光源のノイズ成分が大きく、ＳＮ比が低下するという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑み、パルス光の波長の可変範囲を拡大でき、用いるパルス光の利用効率が高い情報取得装置を提供することを目的とする。
本発明の情報取得装置は、光源部から出射されるパルス光を物体に照射し、該測定対象物から反射または散乱または透過する光、あるいは該物体において発光する光を検出し、該物体の情報を取得する情報取得装置であって、
前記光源部から出射される中心波長λｃのパルス光を、複数の光路に分岐する分岐部と、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路と、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路から出射される光を合波する合波部と、
前記合波部により合波され前記物体に照射された光を検出して情報を取得する情報取得部と、
を備え、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路が、前記互いにゼロ分散波長が異なる複数の導波路によって構成され、
前記複数の導波路によって、前記中心波長λｃのパルス光とは中心波長の異なる複数の波長変換光を発生させ、
前記複数の導波路の前記λｃにおける群速度分散をβ２、前記群速度分散β２の２次導関数をβ４とするとき、前記複数の導波路はβ２＞０かつβ４＜０を満たすことを特徴とする。
前記光源部から出射される中心波長λｃのパルス光を、複数の光路に分岐する分岐部と、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路と、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路から出射される光を合波する合波部と、
前記合波部により合波され前記物体に照射された光を検出して情報を取得する情報取得部と、
を備え、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路が、前記互いにゼロ分散波長が異なる複数の導波路によって構成され、
前記複数の導波路によって、前記中心波長λｃのパルス光とは中心波長の異なる複数の波長変換光を発生させ、
前記複数の導波路の前記λｃにおける群速度分散をβ２、前記群速度分散β２の２次導関数をβ４とするとき、前記複数の導波路はβ２＞０かつβ４＜０を満たすことを特徴とする。
本発明によれば、パルス光の波長の可変範囲を拡大でき、用いるパルス光の利用効率が高い情報取得装置を実現することができる。
つぎに、本発明の実施形態における情報取得装置の構成例について、図を用いて説明するが、本発明は以下に説明する実施形態の構成等によって何ら限定されるものではない。図１（ａ）は本実施形態に係る情報取得装置を示す模式図であり、図１（ｂ）は本実施形態における導波路の群速度分散特性の一例を示すグラフである。
本実施形態に係る情報取得装置は、光源部から出射されるパルス光を測定対象物（物体）に照射し、該測定対象物から反射または散乱または透過する光、あるいは該測定対象物において発光する光を検出し、該測定対象物の情報を取得するように構成される。
具体的には、図１（ａ）に示すように、中心波長λｃのパルス光を発する光源部１０１と、光源部１０１から発せられたパルス光を複数の光路に分岐する分岐部１０２と、複数の光路の各々に設けられた、互いにゼロ分散波長が異なる複数の導波路１０３と、を備える。
更に、複数の導波路１０３から出た光を合波する合波部１０４と、合波部１０４から出射され、測定対象物１０５に照射されることによって生じた光を検出する光検出部１０６、１０７とを有する。そして、光検出部１０６、１０７で検出された光の強度に基づいて物体１０５の情報を取得する情報取得部１０８と、を備える。光検出部１０６は主に１０５
を透過した光など、測定対象物１０５から光検出部１０６の方向へ進む光を検出する。光検出部１０７は主に物体１０５から反射、散乱された結果、ハーフミラー１０９に反射されて光検出部１０７の方向へ進む光を検出する。すなわち、光検出部１０６、１０７は様々な要因で発生した光を漏れなく検出するために設けられるものであり、光検出部１０６、１０７で検出される光は発生要因に限定されない。したがって、光検出部は１０６、１０７以外に設けるようにして、３つ以上あってもよい。
本実施形態に係る情報取得装置は、光源部から出射されるパルス光を測定対象物（物体）に照射し、該測定対象物から反射または散乱または透過する光、あるいは該測定対象物において発光する光を検出し、該測定対象物の情報を取得するように構成される。
具体的には、図１（ａ）に示すように、中心波長λｃのパルス光を発する光源部１０１と、光源部１０１から発せられたパルス光を複数の光路に分岐する分岐部１０２と、複数の光路の各々に設けられた、互いにゼロ分散波長が異なる複数の導波路１０３と、を備える。
更に、複数の導波路１０３から出た光を合波する合波部１０４と、合波部１０４から出射され、測定対象物１０５に照射されることによって生じた光を検出する光検出部１０６、１０７とを有する。そして、光検出部１０６、１０７で検出された光の強度に基づいて物体１０５の情報を取得する情報取得部１０８と、を備える。光検出部１０６は主に１０５
を透過した光など、測定対象物１０５から光検出部１０６の方向へ進む光を検出する。光検出部１０７は主に物体１０５から反射、散乱された結果、ハーフミラー１０９に反射されて光検出部１０７の方向へ進む光を検出する。すなわち、光検出部１０６、１０７は様々な要因で発生した光を漏れなく検出するために設けられるものであり、光検出部１０６、１０７で検出される光は発生要因に限定されない。したがって、光検出部は１０６、１０７以外に設けるようにして、３つ以上あってもよい。
ここで、光源部１０１から出射されて物体１０５に照射されることによって生じた光とは、物体１０５に照射された光のうち物体１０５に吸収されず、物体１０５によって反射された光、散乱された光、または物体１０５を透過した光を含む概念である。
さらに、物体１０５に照射されることによって生じた光は、物体１０５が蛍光物質などを含む場合、物体１０５に照射された光を吸収して発せられた蛍光、燐光なども含む。
光源部１０１から出射されて物体１０５に照射されることによって生じる光は、多光子励起蛍光、非線形効果による高次高調波発生、誘導ラマン散乱、コヒーレントアンチストークスラマン散乱などの現象に基づくものを含む。
上記吸収には、通常の散乱角度の違いに基づく吸収、電子励起による吸収、分子振動による吸収、それらの倍波吸収などがある。
なお、物体１０３によって反射された光、散乱された光を検出しやすくするために、図で示すように、光源部１０１から物体１０５へ照射される光の光路上にハーフミラー１０９を設けてもよい。
さらに、物体１０５に照射されることによって生じた光は、物体１０５が蛍光物質などを含む場合、物体１０５に照射された光を吸収して発せられた蛍光、燐光なども含む。
光源部１０１から出射されて物体１０５に照射されることによって生じる光は、多光子励起蛍光、非線形効果による高次高調波発生、誘導ラマン散乱、コヒーレントアンチストークスラマン散乱などの現象に基づくものを含む。
上記吸収には、通常の散乱角度の違いに基づく吸収、電子励起による吸収、分子振動による吸収、それらの倍波吸収などがある。
なお、物体１０３によって反射された光、散乱された光を検出しやすくするために、図で示すように、光源部１０１から物体１０５へ照射される光の光路上にハーフミラー１０９を設けてもよい。
ここで、物体１０５を構成する材料、材料組成などによって、物体１０５の光特性が異なるため、物体１０５によって生じた光（反射光、散乱光、透過光、蛍光、燐光など）を光検出部１０６で検出する。光検出部１０６で検出した光の、物体１０５に照射した光の強度に対する変化量を算出することで、物体１０５の光特性に関する情報を取得できる。また、光特性に関する情報から物体を構成する材料、材料組成などに関する情報を得ることができる場合もある。
なお、光検出部１０６では反射光、散乱光、透過光、蛍光、燐光のうち少なくともいずれか１種を検出すればよい。
合波部１０４から互いに異なる中心波長を有する複数のパルス光が合波された光が出射されるため、物体１０５について、異なる波長に対する光特性に関する情報を同時に取得することができる。
なお、光検出部１０６では反射光、散乱光、透過光、蛍光、燐光のうち少なくともいずれか１種を検出すればよい。
合波部１０４から互いに異なる中心波長を有する複数のパルス光が合波された光が出射されるため、物体１０５について、異なる波長に対する光特性に関する情報を同時に取得することができる。
また、複数の導波路１０３は、入射するパルス光の波長に対して正常分散特性を持つもの、すなわち群速度分散が正であるものを用いる。
本実施形態において、複数の導波路１０３の、入射光波長に対する群速度分散をβ２、群速度分散β２の２次導関数をβ４とするとき、導波路１０３はβ２＞０かつβ４＜０を満たすようにする。導波路の波長分散特性がβ２＞０かつβ４＜０を満たす場合、その導波路を経て出るパルス光のスペクトル幅は、図３（ｂ）に示される結果から小さい。そのため、各導波路１０３を出た各々の光の多くをＳＲＳやＣＡＲＳに用いることができる。すなわち、パルス光の利用効率が高い。
一方、特許文献１のように、導波路の波長分散特性が異常分散特性（β２＜０）を満たす場合、その導波路を経て出るパルス光のスペクトル幅は、図３（ｃ）（ｄ）に示すように大きい。したがって、ＳＡＲＳやＣＡＲＳに用いることができる光は、大きなスペクトル幅を有するパルス光のうちの一部である。そのためパルス光の利用効率が低い。
以下、詳細を説明する。
図１（ｂ）は、光周波数に対する導波路１０３の群速度分散β２特性を示すグラフである。
β４＜０を満たすとは、図１（ｂ）のグラフが上に凸になることである。
これは導波路１０３の材料に応じて導波路形状を調整することにより満たすことができる
。
例えば、導波路１０３として光ファイバーを用いる場合、導波路分散を調整することで実現可能である。
導波路１０３を全てこのように設定することで、パルス光の波長に対し±Δλだけ離れた箇所に、スペクトル幅の狭い波長変換されたパルス光を生成することができる。波長変換としては３次の非線形現象である四光波混合を利用している。
ここで、四光波混合による波長変換の原理について説明する。
四光波混合とは３次の非線形現象の一つであり、波長の異なる四つの光の相互作用により、ある二つの波長の光のエネルギーが、残り二つの波長の光のエネルギーへと変換される現象のことである。
例えば、周波数ω１とω２の光を導波路１０３へ入射すると、ω１＋ω２＝ω３＋ω４を満たす周波数ω３とω４の光が新たに発生する。
また、入射光の周波数を一つとし、その周波数をωｃ＝ω１＝ω２としたときには、周波数ωｃを中心とし、周波数差±Δωだけ離れた光が対称に発生することになる。
一般的に高周波数側をシグナル光、低周波数側をアイドラー光と呼び、シグナル光の周波数はωｓ＝ωｃ＋Δω、アイドラー光の周波数はωｉ＝ωｃ−Δωと表される。
本実施形態において、複数の導波路１０３の、入射光波長に対する群速度分散をβ２、群速度分散β２の２次導関数をβ４とするとき、導波路１０３はβ２＞０かつβ４＜０を満たすようにする。導波路の波長分散特性がβ２＞０かつβ４＜０を満たす場合、その導波路を経て出るパルス光のスペクトル幅は、図３（ｂ）に示される結果から小さい。そのため、各導波路１０３を出た各々の光の多くをＳＲＳやＣＡＲＳに用いることができる。すなわち、パルス光の利用効率が高い。
一方、特許文献１のように、導波路の波長分散特性が異常分散特性（β２＜０）を満たす場合、その導波路を経て出るパルス光のスペクトル幅は、図３（ｃ）（ｄ）に示すように大きい。したがって、ＳＡＲＳやＣＡＲＳに用いることができる光は、大きなスペクトル幅を有するパルス光のうちの一部である。そのためパルス光の利用効率が低い。
以下、詳細を説明する。
図１（ｂ）は、光周波数に対する導波路１０３の群速度分散β２特性を示すグラフである。
β４＜０を満たすとは、図１（ｂ）のグラフが上に凸になることである。
これは導波路１０３の材料に応じて導波路形状を調整することにより満たすことができる
。
例えば、導波路１０３として光ファイバーを用いる場合、導波路分散を調整することで実現可能である。
導波路１０３を全てこのように設定することで、パルス光の波長に対し±Δλだけ離れた箇所に、スペクトル幅の狭い波長変換されたパルス光を生成することができる。波長変換としては３次の非線形現象である四光波混合を利用している。
ここで、四光波混合による波長変換の原理について説明する。
四光波混合とは３次の非線形現象の一つであり、波長の異なる四つの光の相互作用により、ある二つの波長の光のエネルギーが、残り二つの波長の光のエネルギーへと変換される現象のことである。
例えば、周波数ω１とω２の光を導波路１０３へ入射すると、ω１＋ω２＝ω３＋ω４を満たす周波数ω３とω４の光が新たに発生する。
また、入射光の周波数を一つとし、その周波数をωｃ＝ω１＝ω２としたときには、周波数ωｃを中心とし、周波数差±Δωだけ離れた光が対称に発生することになる。
一般的に高周波数側をシグナル光、低周波数側をアイドラー光と呼び、シグナル光の周波数はωｓ＝ωｃ＋Δω、アイドラー光の周波数はωｉ＝ωｃ−Δωと表される。
また、導波路１０３中の入射パルス光の伝搬定数をβｃ、シグナル光の伝搬定数をβｓ、アイドラー光の伝搬定数をβｉとすると、以下の数式（１）で表される位相整合条件を満たす必要がある。
数式（１）
数式（１）
但し、Δβは導波路１０３中における各々の光の伝搬定数の不整合、γは導波路１０３の非線形係数、Ｐ０は入射パルス光のピーク強度、ｎ２は非線形屈折率、Ａｅｆｆは有効断面積、ｃは光速である。この位相整合条件を満たすとき、シグナル光とアイドラー光が効率良く発生する。
また、導波路１０３中における各々の光の伝搬定数の不整合Δβは、周波数差Δωを用いて以下の数式（２）で表すことができる。
数式（２）
数式（２）
但し、β２は導波路１０３の入射パルス光における群速度分散、β４は群速度分散β２の２次導関数である。なお、群速度分散β２は、入射パルス光の伝搬定数βｃの２次導関数である。
また、このときの四光波混合による利得Ｇは、以下の数式（３）で表される。
数式（３）
数式（３）
但し、Ｌは導波路１０３の長さである。
ここで、数式（２）をグラフにしたものを図２に、数式（３）をグラフにしたものを図３にそれぞれ示す。
図２においては縦軸をΔβ、横軸をΔωとし、図３においては縦軸をＧ、横軸をΔωとしている。
図２、図３において、β２、β４の正負に対して４通りのグラフをそれぞれ示す。
また、数式（１）で表されるΔβの位相整合条件が成立する範囲も図２に合わせて示す。導波路１０３の非線形係数γ、入射パルス光のピーク強度Ｐ０は共に正の値であるため、数式（１）よりΔβは負の値をとることになる。
ここで、数式（２）をグラフにしたものを図２に、数式（３）をグラフにしたものを図３にそれぞれ示す。
図２においては縦軸をΔβ、横軸をΔωとし、図３においては縦軸をＧ、横軸をΔωとしている。
図２、図３において、β２、β４の正負に対して４通りのグラフをそれぞれ示す。
また、数式（１）で表されるΔβの位相整合条件が成立する範囲も図２に合わせて示す。導波路１０３の非線形係数γ、入射パルス光のピーク強度Ｐ０は共に正の値であるため、数式（１）よりΔβは負の値をとることになる。
したがって、図２（ｃ）（ｄ）に示すように、入射パルス光をβ２＜０の異常分散領域で動作させたときには、数式（１）で表される位相整合条件を満たすΔωの範囲が比較的広くなることがわかる。
すなわち、図３（ｃ）（ｄ）に示すように、ある特定周波数のパルス光を導波路１０３に入射させると、比較的広い周波数帯域に四光波混合利得Ｇが存在することになり、広い周波数帯域にわたってシグナル光とアイドラー光が生成される。一方、本発明では図２（ｂ）に示すように、入射パルス光をβ２＞０、β４＜０を満たす正常分散領域で動作させる。
このとき、数式（１）で表される位相整合条件を満たすΔωの範囲が、入射パルス光の周波数から離れた箇所に比較的狭い領域で存在することがわかる。
すなわち、図３（ｂ）に示すように、ある特定周波数のパルス光を導波路１０３に入射させると、比較的狭い周波数帯域に四光波混合利得Ｇが存在することになり、周波数帯域の狭いシグナル光とアイドラー光が生成される。
すなわち、図３（ｃ）（ｄ）に示すように、ある特定周波数のパルス光を導波路１０３に入射させると、比較的広い周波数帯域に四光波混合利得Ｇが存在することになり、広い周波数帯域にわたってシグナル光とアイドラー光が生成される。一方、本発明では図２（ｂ）に示すように、入射パルス光をβ２＞０、β４＜０を満たす正常分散領域で動作させる。
このとき、数式（１）で表される位相整合条件を満たすΔωの範囲が、入射パルス光の周波数から離れた箇所に比較的狭い領域で存在することがわかる。
すなわち、図３（ｂ）に示すように、ある特定周波数のパルス光を導波路１０３に入射させると、比較的狭い周波数帯域に四光波混合利得Ｇが存在することになり、周波数帯域の狭いシグナル光とアイドラー光が生成される。
ここで、シグナル光、アイドラー光の、入射パルス光に対する周波数シフト量Δω（波長シフト量Δλ）、シグナル光、アイドラー光の周波数幅δω（スペクトル幅δλ）は以下の数式（４）から 数式（７）で表せられる。
数式（４）
数式（４）
数式（５）
数式（６）
数式（７）
但し、λｃは入射パルス光の中心波長、λ０は導波路１０３のゼロ分散波長、β３はゼロ分散波長における群速度分散β２の１次導関数である。
式（５）より、入射パルス光の波長と導波路１０３のゼロ分散波長の差を大きくするに従い、その波長シフト量Δλも大きくなることがわかる。
したがって、導波路１０３として、ゼロ分散波長の異なる複数の導波路１０３を用いることにより、入射パルス光の波長に対し、中心波長の異なる複数の波長変換光を発生させることができる。
また、入射パルス光の波長を変化させることで、複数の波長変換光をさらに波長シフトさせることができる。
これら複数の波長変換光を用いることで、波長可変範囲をさらに拡大することができる。また、数式（７）より、非線形係数γが小さく、β４の大きな導波路を用いることで、スペクトル幅δλの狭い波長変換光を生成することが可能である。
式（５）より、入射パルス光の波長と導波路１０３のゼロ分散波長の差を大きくするに従い、その波長シフト量Δλも大きくなることがわかる。
したがって、導波路１０３として、ゼロ分散波長の異なる複数の導波路１０３を用いることにより、入射パルス光の波長に対し、中心波長の異なる複数の波長変換光を発生させることができる。
また、入射パルス光の波長を変化させることで、複数の波長変換光をさらに波長シフトさせることができる。
これら複数の波長変換光を用いることで、波長可変範囲をさらに拡大することができる。また、数式（７）より、非線形係数γが小さく、β４の大きな導波路を用いることで、スペクトル幅δλの狭い波長変換光を生成することが可能である。
また、四光波混合は３次の非線形現象であるため、入射光の強度に比例して波長変換効率が変化する。
すなわち、波長変換後の強度は入射光強度の２乗に比例する。したがって、強度の弱い光の変換効率は小さく、強度の強い光のみが効果的に波長変換される。
入射パルス光に自然放出光などのノイズ成分が重畳されていたとしても、強度の小さいノイズ成分の変換効率は極めて低いため、波長変換光のノイズ成分は少なくなる。
すなわち、波長変換後の強度は入射光強度の２乗に比例する。したがって、強度の弱い光の変換効率は小さく、強度の強い光のみが効果的に波長変換される。
入射パルス光に自然放出光などのノイズ成分が重畳されていたとしても、強度の小さいノイズ成分の変換効率は極めて低いため、波長変換光のノイズ成分は少なくなる。
ここで、入射光パルスの信号成分をＩｓ、ノイズ成分をＩｎとし、波長変換後の信号成分をＩｓ’、ノイズ成分をＩｎ’とする。
波長変換後の信号成分はＩｓ’＝ｋ×Ｉｓ２（ｋは比例定数）、波長変換後のノイズ成分はＩｎ’＝ｋ×Ｉｎ２と表される。
入射光パルスのＳＮ比はＩｓ／Ｉｎで表され、波長変換後のＳＮ比はＩｓ’／Ｉｎ’＝（Ｉｓ／Ｉｎ）２で表されるため、入射光パルスのＳＮ比を２乗したものとなり、入射光パルスのＳＮ比よりも大きくなる。
よって、波長変換光のみを情報取得に用いることで良好なＳＮ比を実現できる。以上のように、本実施形態では、ゼロ分散波長の異なる複数の導波路を用い、複数の波長変換光を発生させることで、パルス光の波長可変範囲を拡大できる。
また、波長変換光はノイズ成分が少ないため、波長変換光のみを情報取得に用いることで良好なＳＮ比を実現できる。
波長変換後の信号成分はＩｓ’＝ｋ×Ｉｓ２（ｋは比例定数）、波長変換後のノイズ成分はＩｎ’＝ｋ×Ｉｎ２と表される。
入射光パルスのＳＮ比はＩｓ／Ｉｎで表され、波長変換後のＳＮ比はＩｓ’／Ｉｎ’＝（Ｉｓ／Ｉｎ）２で表されるため、入射光パルスのＳＮ比を２乗したものとなり、入射光パルスのＳＮ比よりも大きくなる。
よって、波長変換光のみを情報取得に用いることで良好なＳＮ比を実現できる。以上のように、本実施形態では、ゼロ分散波長の異なる複数の導波路を用い、複数の波長変換光を発生させることで、パルス光の波長可変範囲を拡大できる。
また、波長変換光はノイズ成分が少ないため、波長変換光のみを情報取得に用いることで良好なＳＮ比を実現できる。
つぎに、光源部について説明する。
本実施形態における光源部は、パルス光を出射するものであれば特に限定されないが、出射される光の波長を変化させることができる波長可変光源であることが好ましい。
本実施形態における光源部から出射されるパルス光のパルス幅は、１ｎｓ以下であることが好ましく、１００ｐｓ以下であることがさらに好ましい。
これは、パルス光のパルス幅が狭いほどパルス光のピーク強度が大きく、測定対象物の非線形効果の有無がわかりやすくなるからである。また、パルス幅は１ｐｓ以上であることが好ましい。パルス幅が狭すぎるとスペクトル幅は広がってしまい、スペクトル分解能が低下してしまうからである。ここでいうパルス幅はパルス光の半値幅である。
以上のとおり、光源部から出射されるパルス光のパルス幅は、１ｐｓ以上１ｎｓ以下の範囲から選択される。
また、本実施形態における光源部から出射される各パルス光の中心波長は、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましく、７００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下であることが特に好ましい。
また、光源部のパルスレートは、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下であることが好ましい。
なお、互いに異なる中心波長を有する複数のパルス光を合波する合波器として、光カップラ、回折格子、プリズムなどを用いることができる。
本実施形態における光源部は、パルス光を出射するものであれば特に限定されないが、出射される光の波長を変化させることができる波長可変光源であることが好ましい。
本実施形態における光源部から出射されるパルス光のパルス幅は、１ｎｓ以下であることが好ましく、１００ｐｓ以下であることがさらに好ましい。
これは、パルス光のパルス幅が狭いほどパルス光のピーク強度が大きく、測定対象物の非線形効果の有無がわかりやすくなるからである。また、パルス幅は１ｐｓ以上であることが好ましい。パルス幅が狭すぎるとスペクトル幅は広がってしまい、スペクトル分解能が低下してしまうからである。ここでいうパルス幅はパルス光の半値幅である。
以上のとおり、光源部から出射されるパルス光のパルス幅は、１ｐｓ以上１ｎｓ以下の範囲から選択される。
また、本実施形態における光源部から出射される各パルス光の中心波長は、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましく、７００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下であることが特に好ましい。
また、光源部のパルスレートは、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下であることが好ましい。
なお、互いに異なる中心波長を有する複数のパルス光を合波する合波器として、光カップラ、回折格子、プリズムなどを用いることができる。
更に、情報取得部について説明すると、
本実施形態における情報取得部１０８は、光検出部１０６、１０７で検出された光の強度の時間波形に基づいて、物体１０５の情報を取得する。
情報取得部として、ＣＰＵを有するコンピュータを備え、このコンピュータが同期検出機能を有するアプリケーションを内蔵する構成例が挙げられる。
他の例として、情報取得部がロックインアンプ（ロックイン検出部）などの同期検出機能を有する装置を有する構成例が挙げられる。一般的に分子のラマン散乱断面積σは小さいため、誘導ラマン散乱によるポンプ光またはストークス光の強度変化も微弱になる。
このため、ポンプ光、ストークス光の強度変化からＳＲＳ信号を検出する際、ポンプ光のノイズ成分などに信号が埋もれる場合がある。
したがって、ポンプ光またはストークス光のいずれか一方の強度を一定の周波数で変調し、この周波数に同期して変化するＳＲＳ信号を同期検出することが好ましい。
これにより、同期検出した信号を増幅することで、ＳＲＳ信号を高感度に検出することが可能となる。
なお、ロックインアンプの代わりにＦＦＴアナライザなどを用いることができる。ＦＦＴアナライザを用いることで、ロックインアンプに比べ高速にＳＲＳ信号を検出することが可能である。
本実施形態における情報取得部１０８は、光検出部１０６、１０７で検出された光の強度の時間波形に基づいて、物体１０５の情報を取得する。
情報取得部として、ＣＰＵを有するコンピュータを備え、このコンピュータが同期検出機能を有するアプリケーションを内蔵する構成例が挙げられる。
他の例として、情報取得部がロックインアンプ（ロックイン検出部）などの同期検出機能を有する装置を有する構成例が挙げられる。一般的に分子のラマン散乱断面積σは小さいため、誘導ラマン散乱によるポンプ光またはストークス光の強度変化も微弱になる。
このため、ポンプ光、ストークス光の強度変化からＳＲＳ信号を検出する際、ポンプ光のノイズ成分などに信号が埋もれる場合がある。
したがって、ポンプ光またはストークス光のいずれか一方の強度を一定の周波数で変調し、この周波数に同期して変化するＳＲＳ信号を同期検出することが好ましい。
これにより、同期検出した信号を増幅することで、ＳＲＳ信号を高感度に検出することが可能となる。
なお、ロックインアンプの代わりにＦＦＴアナライザなどを用いることができる。ＦＦＴアナライザを用いることで、ロックインアンプに比べ高速にＳＲＳ信号を検出することが可能である。
つぎに、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した波長可変パルスレーザを用いた誘導ラマン分光顕微鏡装置の構成例について、図４を用いて説明する。
本実施例の誘導ラマン分光顕微鏡装置は、中心波長が可変なパルスレーザ４０１と、光分岐器４０２と、２つの導波路４０３、４０４と、バンドパスフィルタ４０５、４０６と、光変調器４０７と、光合波器４０８と、ビームエキスパンダ４０９と、を備える。
更に、Ｘスキャンミラー４１０と、Ｙスキャンミラー４１１と、対物レンズ４１２と、ステージ４１３と、集光レンズ４１４と、バンドパスフィルタ４１５と、受光素子４１６と、同期検出器４１７と、制御ユニット４１８と、を備える。
ステージ４１３上には観察する対象物（測定対象物）４１９を配置する。この対象物４１９として生体細胞試料を用いた。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した波長可変パルスレーザを用いた誘導ラマン分光顕微鏡装置の構成例について、図４を用いて説明する。
本実施例の誘導ラマン分光顕微鏡装置は、中心波長が可変なパルスレーザ４０１と、光分岐器４０２と、２つの導波路４０３、４０４と、バンドパスフィルタ４０５、４０６と、光変調器４０７と、光合波器４０８と、ビームエキスパンダ４０９と、を備える。
更に、Ｘスキャンミラー４１０と、Ｙスキャンミラー４１１と、対物レンズ４１２と、ステージ４１３と、集光レンズ４１４と、バンドパスフィルタ４１５と、受光素子４１６と、同期検出器４１７と、制御ユニット４１８と、を備える。
ステージ４１３上には観察する対象物（測定対象物）４１９を配置する。この対象物４１９として生体細胞試料を用いた。
パルスレーザ４０１として、モード同期Ｙｂ（イットリビウム）ドープファイバーレーザを使用した。レーザ共振器の中に波長フィルタが内蔵されており、Ｙｂの利得帯域内で波長可変できる。
パルスレーザ４０１の可変波長範囲を１０２０〜１０４０ｎｍ、スペクトル幅を０．１ｎｍ、パルス幅を１０ｐｓ、ピークパワーを１ｋＷ、パルスの繰り返し周波数を１００ＭＨｚとした。
パルスレーザ４０１からの出力光は、光分岐器４０２で２分岐され、２つの導波路４０３、４０４に入射される。
導波路４０３として、ゼロ分散波長が１０５０ｎｍであるフォトニック結晶ファイバーを用いた。
また、導波路４０４として、ゼロ分散波長が１０８０ｎｍであるフォトニック結晶ファイバーを用いた。
また、両方のフォトニック結晶ファイバーの群速度分散β２の１次導関数β３を１Ｅ−４０（ｓ３／ｍ）、２次導関数β４を−５Ｅ−５５（ｓ４／ｍ）、非線形係数γを０．０１（１／Ｗ／ｋｍ）、ファイバー長さを１ｍとした。
パルスレーザ４０１の可変波長範囲を１０２０〜１０４０ｎｍ、スペクトル幅を０．１ｎｍ、パルス幅を１０ｐｓ、ピークパワーを１ｋＷ、パルスの繰り返し周波数を１００ＭＨｚとした。
パルスレーザ４０１からの出力光は、光分岐器４０２で２分岐され、２つの導波路４０３、４０４に入射される。
導波路４０３として、ゼロ分散波長が１０５０ｎｍであるフォトニック結晶ファイバーを用いた。
また、導波路４０４として、ゼロ分散波長が１０８０ｎｍであるフォトニック結晶ファイバーを用いた。
また、両方のフォトニック結晶ファイバーの群速度分散β２の１次導関数β３を１Ｅ−４０（ｓ３／ｍ）、２次導関数β４を−５Ｅ−５５（ｓ４／ｍ）、非線形係数γを０．０１（１／Ｗ／ｋｍ）、ファイバー長さを１ｍとした。
パルスレーザ４０１からの出力光は２つの導波路４０３、４０４で各々波長変換され、パルスレーザ４０１の波長を１０２０ｎｍとしたとき、導波路４０３からは８５０ｎｍと１２７０ｎｍの２波長の変換光が発生した。また、導波路４０４からは８００ｎｍと１４００ｎｍの２波長の変換光が発生した。
さらに、パルスレーザ４０１の波長を１０２０〜１０４０ｎｍと変化させたとき、導波路４０３からは８５０〜９２０ｎｍ、１１９０〜１２７０ｎｍの波長域で可変できる変換光が発生した。
また、導波路４０４からは８００〜８５０ｎｍ、１３００〜１４００ｎｍの波長域で可変できる変換光が発生した。
これら変換光のスペクトル幅は全て０．１ｎｍ程度であった。波長可変幅及びスペクトル幅は、前述の数式（１）、（２）に上記の値を代入して得られる値と同程度であった。
さらに、パルスレーザ４０１の波長を１０２０〜１０４０ｎｍと変化させたとき、導波路４０３からは８５０〜９２０ｎｍ、１１９０〜１２７０ｎｍの波長域で可変できる変換光が発生した。
また、導波路４０４からは８００〜８５０ｎｍ、１３００〜１４００ｎｍの波長域で可変できる変換光が発生した。
これら変換光のスペクトル幅は全て０．１ｎｍ程度であった。波長可変幅及びスペクトル幅は、前述の数式（１）、（２）に上記の値を代入して得られる値と同程度であった。
２つの導波路４０３、４０４からの出力光は、バンドパスフィルタ４０５、４０６を各々通過する。
バンドパスフィルタ４０５は８５０〜９２０ｎｍの光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定され、バンドパスフィルタ４０６は８００〜８５０ｎｍの光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定されている。
バンドパスフィルタ４０５からの出力を誘導ラマン散乱のストークス光、バンドパスフィルタ４０６からの出力を誘導ラマン散乱のポンプ光として使用する。
光変調器４０７は、バンドパスフィルタ４０５からの出力を強度変調し、変調周波数を１０ＭＨｚとした。
バンドパスフィルタ４０６と光変調器４０７からの出力光は、光合波器４０８で合波され、ビームエキスパンダ４０９により径の太い光束に変換される。
本実施例では光合波器４０８として光カップラを用いたが、回折格子やプリズムを用いてもよい。
出力光はＸスキャンミラー４１０、Ｙスキャンミラー４１１を通過し、対物レンズ４１２によりステージ４１３上の対象物４１９に向けて集光される。
バンドパスフィルタ４０５は８５０〜９２０ｎｍの光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定され、バンドパスフィルタ４０６は８００〜８５０ｎｍの光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定されている。
バンドパスフィルタ４０５からの出力を誘導ラマン散乱のストークス光、バンドパスフィルタ４０６からの出力を誘導ラマン散乱のポンプ光として使用する。
光変調器４０７は、バンドパスフィルタ４０５からの出力を強度変調し、変調周波数を１０ＭＨｚとした。
バンドパスフィルタ４０６と光変調器４０７からの出力光は、光合波器４０８で合波され、ビームエキスパンダ４０９により径の太い光束に変換される。
本実施例では光合波器４０８として光カップラを用いたが、回折格子やプリズムを用いてもよい。
出力光はＸスキャンミラー４１０、Ｙスキャンミラー４１１を通過し、対物レンズ４１２によりステージ４１３上の対象物４１９に向けて集光される。
対象物４１９において、対物レンズ４１２の集光点中央の微小領域では、分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱が生じ、それによりポンプ光、ストークス光の強度変化が生じる。
集光点中央の微小領域から外れると誘導ラマン散乱が生じないので、ポンプ光、ストークス光の強度変化は生じない。
なお、レーザスポットのサイズは、対物レンズ４１２のＮＡが大きいほど小さくなり、それに伴い、誘導ラマン散乱が生じる微小領域のサイズも小さくなる。
集光点中央の微小領域で発生した誘導ラマン散乱により強度変化を受けたポンプ光は、対物レンズ４１２を透過し、集光レンズ４１４、バンドパスフィルタ４１５を通過後、受光素子４１６へ入射する。
バンドパスフィルタ４１５は、受光素子４１６に不要な光が入射するのを防ぐ。ポンプ光の波長は８００〜８５０ｎｍであるため、この波長域の光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定されている。
また、Ｘスキャンミラー４１０、Ｙスキャンミラー４１１として１対のガルバノミラーを用いている。主走査用のＸスキャンミラー４１０と副走査用のＹスキャンミラー４１１とを、互いの回転軸が直交するように配置し、制御ユニット４１８によって駆動される。
集光点中央の微小領域から外れると誘導ラマン散乱が生じないので、ポンプ光、ストークス光の強度変化は生じない。
なお、レーザスポットのサイズは、対物レンズ４１２のＮＡが大きいほど小さくなり、それに伴い、誘導ラマン散乱が生じる微小領域のサイズも小さくなる。
集光点中央の微小領域で発生した誘導ラマン散乱により強度変化を受けたポンプ光は、対物レンズ４１２を透過し、集光レンズ４１４、バンドパスフィルタ４１５を通過後、受光素子４１６へ入射する。
バンドパスフィルタ４１５は、受光素子４１６に不要な光が入射するのを防ぐ。ポンプ光の波長は８００〜８５０ｎｍであるため、この波長域の光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定されている。
また、Ｘスキャンミラー４１０、Ｙスキャンミラー４１１として１対のガルバノミラーを用いている。主走査用のＸスキャンミラー４１０と副走査用のＹスキャンミラー４１１とを、互いの回転軸が直交するように配置し、制御ユニット４１８によって駆動される。
Ｘスキャンミラー４１０が駆動されると、集光点が対象物４１９内部をＸ方向へスキャンされる。
また、Ｙスキャンミラー４１１が駆動されると、集光点が対象物４１９内部をＸ方向と垂直なＹ方向へスキャンされる。
なお、Ｘ方向、Ｙ方向は共に対物レンズ４１２の光軸方向に垂直な方向に設定されている。よって、Ｘスキャンミラー４１０の角度を１往復させる毎にＹスキャンミラー４１１の角度を１ピッチ分ずつ変化させれば、集光点で対象物４１９内部を二次元的にスキャンすることができる。
さらに、一回の二次元スキャン終了後、ステージ４１３を動かして集光点を光軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の２次元スキャンを繰り返すことで、対象物４１９の三次元画像を得ることが可能となる。
受光素子４１６で検出された信号は、同期検出器４１７に入力される。
同期検出器４１７としてロックインアンプを用い、１０ＭＨｚの信号成分を測定した。また、本実施例において同期検出器４１７としてロックインアンプを用いたが、ＦＦＴアナライザを用いてもよい。
また、Ｙスキャンミラー４１１が駆動されると、集光点が対象物４１９内部をＸ方向と垂直なＹ方向へスキャンされる。
なお、Ｘ方向、Ｙ方向は共に対物レンズ４１２の光軸方向に垂直な方向に設定されている。よって、Ｘスキャンミラー４１０の角度を１往復させる毎にＹスキャンミラー４１１の角度を１ピッチ分ずつ変化させれば、集光点で対象物４１９内部を二次元的にスキャンすることができる。
さらに、一回の二次元スキャン終了後、ステージ４１３を動かして集光点を光軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の２次元スキャンを繰り返すことで、対象物４１９の三次元画像を得ることが可能となる。
受光素子４１６で検出された信号は、同期検出器４１７に入力される。
同期検出器４１７としてロックインアンプを用い、１０ＭＨｚの信号成分を測定した。また、本実施例において同期検出器４１７としてロックインアンプを用いたが、ＦＦＴアナライザを用いてもよい。
以上のように、ゼロ分散波長の異なる２つの導波路４０３、４０４を用い、中心波長の異なる複数の波長変換光を発生させることで、パルス光の波長可変範囲を拡大できる。
また、波長変換光は、ノイズ成分が少ないため、波長変換光のみを情報取得に用いることで良好なＳＮ比を実現できる。
さらに、両方のフォトニック結晶ファイバーからの出力はともに短波長側を取り出す構成としているため、２波長の波長差を小さくできる。
したがって、本実施例は低いラマン周波数を観測したいときに有利な構成である。
また、波長変換光は、ノイズ成分が少ないため、波長変換光のみを情報取得に用いることで良好なＳＮ比を実現できる。
さらに、両方のフォトニック結晶ファイバーからの出力はともに短波長側を取り出す構成としているため、２波長の波長差を小さくできる。
したがって、本実施例は低いラマン周波数を観測したいときに有利な構成である。
［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の波長可変パルスレーザを用いた誘導ラマン分光顕微鏡装置の構成例について、図５を用いて説明する。
本実施例の誘導ラマン分光顕微鏡装置は、中心波長が可変なパルスレーザ５０１と、光分岐器５０２と、２つの導波路５０３、５０４と、バンドパスフィルタ５０５、５０６と、光変調器５０７と、光合波器５０８と、ビームエキスパンダ５０９と、を備える。
更に、Ｘスキャンミラー５１０と、Ｙスキャンミラー５１１と、対物レンズ５１２と、ステージ５１３と、集光レンズ５１４と、バンドパスフィルタ５１５と、受光素子５１６と、同期検出器５１７と、制御ユニット５１８と、を備える。
バンドパスフィルタ５０５、５０６以外は、実施例１と同様の構成である。
ステージ５１３上には観察する対象物（測定対象物）５１９を配置する。この対象物５１９として生体細胞試料を用いた。
実施例２として、実施例１と異なる形態の波長可変パルスレーザを用いた誘導ラマン分光顕微鏡装置の構成例について、図５を用いて説明する。
本実施例の誘導ラマン分光顕微鏡装置は、中心波長が可変なパルスレーザ５０１と、光分岐器５０２と、２つの導波路５０３、５０４と、バンドパスフィルタ５０５、５０６と、光変調器５０７と、光合波器５０８と、ビームエキスパンダ５０９と、を備える。
更に、Ｘスキャンミラー５１０と、Ｙスキャンミラー５１１と、対物レンズ５１２と、ステージ５１３と、集光レンズ５１４と、バンドパスフィルタ５１５と、受光素子５１６と、同期検出器５１７と、制御ユニット５１８と、を備える。
バンドパスフィルタ５０５、５０６以外は、実施例１と同様の構成である。
ステージ５１３上には観察する対象物（測定対象物）５１９を配置する。この対象物５１９として生体細胞試料を用いた。
パルスレーザ５０１として、モード同期Ｙｂ（イットリビウム）ドープファイバーレーザを使用した。レーザ共振器の中に波長フィルタが内蔵されており、Ｙｂの利得帯域内で波長可変できる。
パルスレーザ５０１の可変波長範囲を１０２０〜１０４０ｎｍ、スペクトル幅を０．１ｎｍ、パルス幅を１０ｐｓ、ピークパワーを１ｋＷ、パルスの繰り返し周波数を１００ＭＨｚとした。
パルスレーザ５０１からの出力光は、光分岐器５０２で２分岐され、２つの導波路５０３、５０４に入射される。導波路５０３として、ゼロ分散波長が１０５０ｎｍであるフォトニック結晶ファイバーを用いた。
また、導波路５０４として、ゼロ分散波長が１０８０ｎｍであるフォトニック結晶ファイバーを用いた。
また、両方のフォトニック結晶ファイバーの群速度分散β２の１次導関数β３を１Ｅ−４０（ｓ３／ｍ）、２次導関数β４を−５Ｅ−５５（ｓ４／ｍ）、非線形係数γを０．０１（１／Ｗ／ｋｍ）、ファイバー長さを１ｍとした。
パルスレーザ５０１の可変波長範囲を１０２０〜１０４０ｎｍ、スペクトル幅を０．１ｎｍ、パルス幅を１０ｐｓ、ピークパワーを１ｋＷ、パルスの繰り返し周波数を１００ＭＨｚとした。
パルスレーザ５０１からの出力光は、光分岐器５０２で２分岐され、２つの導波路５０３、５０４に入射される。導波路５０３として、ゼロ分散波長が１０５０ｎｍであるフォトニック結晶ファイバーを用いた。
また、導波路５０４として、ゼロ分散波長が１０８０ｎｍであるフォトニック結晶ファイバーを用いた。
また、両方のフォトニック結晶ファイバーの群速度分散β２の１次導関数β３を１Ｅ−４０（ｓ３／ｍ）、２次導関数β４を−５Ｅ−５５（ｓ４／ｍ）、非線形係数γを０．０１（１／Ｗ／ｋｍ）、ファイバー長さを１ｍとした。
パルスレーザ５０１からの出力光は２つの導波路５０３、５０４で各々波長変換され、パルスレーザ５０１の波長を１０２０ｎｍとしたとき、導波路５０３からは８５０ｎｍと１２７０ｎｍの２波長の変換光が発生した。また、導波路５０４からは８００ｎｍと１４００ｎｍの２波長の変換光が発生した。
さらに、パルスレーザ５０１の波長を１０２０〜１０４０ｎｍと変化させたとき、導波路５０３からは８５０〜９２０ｎｍ、１１９０〜１２７０ｎｍの波長域で可変できる変換光が発生した。
また、導波路５０４からは８００〜８５０ｎｍ、１３００〜１４００ｎｍの波長域で可変できる変換光が発生した。これら変換光のスペクトル幅は全て０．１ｎｍ程度であった。波長可変幅及びスペクトル幅は、前述の数式（１）、（２）に上記の値を代入して得られる値と同程度であった。
さらに、パルスレーザ５０１の波長を１０２０〜１０４０ｎｍと変化させたとき、導波路５０３からは８５０〜９２０ｎｍ、１１９０〜１２７０ｎｍの波長域で可変できる変換光が発生した。
また、導波路５０４からは８００〜８５０ｎｍ、１３００〜１４００ｎｍの波長域で可変できる変換光が発生した。これら変換光のスペクトル幅は全て０．１ｎｍ程度であった。波長可変幅及びスペクトル幅は、前述の数式（１）、（２）に上記の値を代入して得られる値と同程度であった。
２つの導波路５０３、５０４からの出力光は、バンドパスフィルタ５０５、５０６を各々通過する。
バンドパスフィルタ５０５は１１９０〜１２７０ｎｍの光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定され、バンドパスフィルタ５０６は８００〜８５０ｎｍの光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定されている。
バンドパスフィルタ５０５からの出力を誘導ラマン散乱のストークス光、バンドパスフィルタ５０６からの出力を誘導ラマン散乱のポンプ光として使用する。
光変調器５０７は、バンドパスフィルタ５０５からの出力を強度変調し、変調周波数を１０ＭＨｚとした。
バンドパスフィルタ５０６と光変調器５０７からの出力光は、光合波器５０８で合波され、ビームエキスパンダ５０９により径の太い光束に変換される。
本実施例では光合波器５０８として光カップラを用いたが、回折格子やプリズムを用いてもよい。
出力光はＸスキャンミラー５１０、Ｙスキャンミラー５１１を通過し、対物レンズ５１２によりステージ５１３上の対象物５１９に向けて集光される。
バンドパスフィルタ５０５は１１９０〜１２７０ｎｍの光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定され、バンドパスフィルタ５０６は８００〜８５０ｎｍの光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定されている。
バンドパスフィルタ５０５からの出力を誘導ラマン散乱のストークス光、バンドパスフィルタ５０６からの出力を誘導ラマン散乱のポンプ光として使用する。
光変調器５０７は、バンドパスフィルタ５０５からの出力を強度変調し、変調周波数を１０ＭＨｚとした。
バンドパスフィルタ５０６と光変調器５０７からの出力光は、光合波器５０８で合波され、ビームエキスパンダ５０９により径の太い光束に変換される。
本実施例では光合波器５０８として光カップラを用いたが、回折格子やプリズムを用いてもよい。
出力光はＸスキャンミラー５１０、Ｙスキャンミラー５１１を通過し、対物レンズ５１２によりステージ５１３上の対象物５１９に向けて集光される。
対象物５１９において、対物レンズ５１２の集光点中央の微小領域では、分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱が生じ、それによりポンプ光、ストークス光の強度変化が生じる。
集光点中央の微小領域から外れると誘導ラマン散乱が生じないので、ポンプ光、ストークス光の強度変化は生じない。なお、レーザスポットのサイズは、対物レンズ５１２のＮＡが大きいほど小さくなり、それに伴い、誘導ラマン散乱が生じる微小領域のサイズも小さくなる。
集光点中央の微小領域で発生した誘導ラマン散乱により強度変化を受けたポンプ光は、対物レンズ５１２を透過し、集光レンズ５１４、バンドパスフィルタ５１５を通過後、受光素子５１６へ入射する。
バンドパスフィルタ５１５は、受光素子５１６に不要な光が入射するのを防ぐ。ポンプ光の波長は８００〜８５０ｎｍであるため、この波長域の光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定されている。
集光点中央の微小領域から外れると誘導ラマン散乱が生じないので、ポンプ光、ストークス光の強度変化は生じない。なお、レーザスポットのサイズは、対物レンズ５１２のＮＡが大きいほど小さくなり、それに伴い、誘導ラマン散乱が生じる微小領域のサイズも小さくなる。
集光点中央の微小領域で発生した誘導ラマン散乱により強度変化を受けたポンプ光は、対物レンズ５１２を透過し、集光レンズ５１４、バンドパスフィルタ５１５を通過後、受光素子５１６へ入射する。
バンドパスフィルタ５１５は、受光素子５１６に不要な光が入射するのを防ぐ。ポンプ光の波長は８００〜８５０ｎｍであるため、この波長域の光を透過し、他の波長域の光は透過しないよう設定されている。
また、Ｘスキャンミラー５１０、Ｙスキャンミラー５１１として１対のガルバノミラーを用いている。
主走査用のＸスキャンミラー５１０と副走査用のＹスキャンミラー５１１とを、互いの回転軸が直交するように配置し、制御ユニット５１８によって駆動される。
Ｘスキャンミラー５１０が駆動されると、集光点が対象物５１９内部をＸ方向へスキャンされる。
また、Ｙスキャンミラー５１１が駆動されると、集光点が対象物５１９内部をＸ方向と垂直なＹ方向へスキャンされる。
なお、Ｘ方向、Ｙ方向は共に対物レンズ５１２の光軸方向に垂直な方向に設定されている。
よって、Ｘスキャンミラー５１０の角度を１往復させる毎にＹスキャンミラー５１１の角度を１ピッチ分ずつ変化させれば、集光点で対象物５１９内部を二次元的にスキャンすることができる。
主走査用のＸスキャンミラー５１０と副走査用のＹスキャンミラー５１１とを、互いの回転軸が直交するように配置し、制御ユニット５１８によって駆動される。
Ｘスキャンミラー５１０が駆動されると、集光点が対象物５１９内部をＸ方向へスキャンされる。
また、Ｙスキャンミラー５１１が駆動されると、集光点が対象物５１９内部をＸ方向と垂直なＹ方向へスキャンされる。
なお、Ｘ方向、Ｙ方向は共に対物レンズ５１２の光軸方向に垂直な方向に設定されている。
よって、Ｘスキャンミラー５１０の角度を１往復させる毎にＹスキャンミラー５１１の角度を１ピッチ分ずつ変化させれば、集光点で対象物５１９内部を二次元的にスキャンすることができる。
さらに、一回の二次元スキャン終了後、ステージ５１３を動かして集光点を光軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の２次元スキャンを繰り返すことで、対象物５１９の三次元画像を得ることが可能となる。
受光素子５１６で検出された信号は、同期検出器５１７に入力される。同期検出器５１７としてロックインアンプを用い、１０ＭＨｚの信号成分を測定した。
また、本実施例において同期検出器５１７としてロックインアンプを用いたが、ＦＦＴアナライザを用いてもよい。
受光素子５１６で検出された信号は、同期検出器５１７に入力される。同期検出器５１７としてロックインアンプを用い、１０ＭＨｚの信号成分を測定した。
また、本実施例において同期検出器５１７としてロックインアンプを用いたが、ＦＦＴアナライザを用いてもよい。
以上のように、ゼロ分散波長の異なる２つの導波路５０３、５０４を用い、中心波長の異なる複数の波長変換光を発生させることで、パルス光の波長可変範囲を拡大できる。
また、波長変換光はノイズ成分が少ないため、波長変換光のみを情報取得に用いることで良好なＳＮ比を実現できる。
さらに、一方のフォトニック結晶ファイバーからの出力は短波長側、もう一方のフォトニック結晶ファイバーからの出力は長波長側を取り出す構成としているため、２波長の波長差を大きくできる。
したがって、本実施例は高いラマン周波数を観測したいときに有利な構成である。
また、波長変換光はノイズ成分が少ないため、波長変換光のみを情報取得に用いることで良好なＳＮ比を実現できる。
さらに、一方のフォトニック結晶ファイバーからの出力は短波長側、もう一方のフォトニック結晶ファイバーからの出力は長波長側を取り出す構成としているため、２波長の波長差を大きくできる。
したがって、本実施例は高いラマン周波数を観測したいときに有利な構成である。
１０１：光源部
１０２：分岐部
１０３：導波路
１０４：合波部
１０５：測定対象物
１０６：光検出部
１０７：光検出部
１０８：情報取得部
１０９：ハーフミラー
１０２：分岐部
１０３：導波路
１０４：合波部
１０５：測定対象物
１０６：光検出部
１０７：光検出部
１０８：情報取得部
１０９：ハーフミラー
Claims (11)
- 中心波長λｃのパルス光を発生させる光源部と、
前記光源部から出射される中心波長λｃのパルス光を、複数の光路に分岐する分岐部と、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路と、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路から出射される光を合波する合波部と、
前記合波部から出射された光が物体に照射されることで発生する光を検出することによって前記物体の情報を取得する情報取得部と、
を備える情報取得装置であって、
前記複数の光路の各々に設けられた導波路は、互いにゼロ分散波長が異なり、前記複数の光路の各々に設けられた導波路はいずれも、前記中心波長λｃのパルス光が前記導波路を経ることによって、前記λｃよりも中心波長の短い第一の波長変換光と、前記λｃよりも中心波長の長い第二の波長変換光とを発生させるものであり、前記導波路の各々が、前記λｃにおける群速度分散をβ２、前記群速度分散β２の２次導関数をβ４とするとき、前記導波路はβ２＞０かつβ４＜０を満たすことを特徴とする情報取得装置。 - 前記第一の波長変換光及び前記第二の波長変換光の少なくともいずれか一方のみが、前記物体に照射されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の情報取得装置。
- 前記光源部は、前記中心波長λｃが可変であるパルスレーザによって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の情報取得装置。
- 前記光源部から出射されるパルス光のパルス幅は、１ｐｓ以上１ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の情報取得装置。
- 前記光源部から出射されるパルス光のパルスレートは、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の情報取得装置。
- 前記情報取得部は、前記物体に存在する分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱またはコヒーレントアンチストークスラマン散乱に基づく光を検出する検出部を含んでいることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の情報取得装置。
- 前記情報取得部は、ロックイン検出部を含んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の情報取得装置。
- 前記複数の光路は２つの光路を含み構成されており、
前記２つの光路の各々に設けられた導波路から共に、前記第一の波長変換光が出射されるように構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の情報取得装置。 - 前記複数の光路は２つの光路を含み構成されており、前記２つの光路のうち一方の光路に設けられた導波路から前記第一の波長変換光が出射されるように構成され、前記２つの光路のうち他方の光路に設けられた導波路から前記第二の波長変換光が出射されるように構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の情報取得装置。
- 前記情報取得装置は、顕微鏡装置を構成していることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の情報取得装置。
- 前記顕微鏡装置が、誘導ラマン分光顕微鏡装置であることを特徴とする請求項１０に記載の情報取得装置。
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