誘導ラマン散乱計測装置
【課題】高分解能で広帯域のラマンスペクトルを高速で得る。
【解決手段】誘導ラマン散乱計測装置は、第１および第２の光をそれぞれ生成する第１および第２の光生成手段２と、第１および第２の光を合成して試料８に照射する照射光学系７と、誘導ラマン散乱を検出する検出手段３０とを有する。第１の光生成手段は、入射光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子１２５および第１の光源からの光を光分散素子に導く導光光学系に含まれる光学素子１２２のうち少なくとも一方の素子を駆動して入射光の光分散素子への入射角を変化させ、上記異なる方向に分離した光のうち一部を抽出することにより第１の光の光周波数を可変とする。第２の光生成手段は、互いに異なる光周波数を有する複数の第２の光を生成する。複数の第２の光のそれぞれの光周波数に対して、第１の光の光周波数を変化させることでラマンスペクトルを計測する。
【解決手段】誘導ラマン散乱計測装置は、第１および第２の光をそれぞれ生成する第１および第２の光生成手段２と、第１および第２の光を合成して試料８に照射する照射光学系７と、誘導ラマン散乱を検出する検出手段３０とを有する。第１の光生成手段は、入射光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子１２５および第１の光源からの光を光分散素子に導く導光光学系に含まれる光学素子１２２のうち少なくとも一方の素子を駆動して入射光の光分散素子への入射角を変化させ、上記異なる方向に分離した光のうち一部を抽出することにより第１の光の光周波数を可変とする。第２の光生成手段は、互いに異なる光周波数を有する複数の第２の光を生成する。複数の第２の光のそれぞれの光周波数に対して、第１の光の光周波数を変化させることでラマンスペクトルを計測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導ラマン散乱を利用して分子振動イメージングを行う顕微鏡や内視鏡等に用いられる誘導ラマン散乱計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン散乱原理を利用した計測装置の１つとしての誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering：ＳＲＳ）計測装置は、非特許文献１や非特許文献２にて提案されている。誘導ラマン散乱計測装置の原理は、以下の通りである。
【０００３】
互いに光周波数が異なる２色の光パルスを試料に集光照射する。この場合に、該２色の光パルスの周波数の差が試料の分子振動周波数と一致すると、集光点にて誘導ラマン散乱という現象が生じ、試料を透過した２色の光パルスのうち光周波数が高い方の強度が減少し、光周波数が低い方の強度が増大する現象が生じる。この強度変化を検出することで、試料の分子の振動情報を反映した分子振動イメージングが可能となる。この際、２色の光パルスの一方に予め強度変調を施したり繰り返し周波数を整数倍だけ異ならせたりすると、誘導ラマン散乱による強度変化も変調される。このため、他方（すなわち予め強度変調を施していない方）の強度変化の変調分をロックインアンプにより検出すれば、高感度の誘導ラマン散乱の検出が可能となる。
【０００４】
このような誘導ラマン散乱計測装置において、特定の光周波数のみを用いて分子振動を検出するだけでなく、広い振動数範囲での分子振動スペクトル（以後ラマンスペクトルという）を検出することで、試料の識別能がより向上すると期待される。特許文献１や非特許文献３には、１つ又は複数のオプティカルパラメトリック発振器（以後ＯＰＯという）の発振波長可変機能を用いて、上記２色のうち一方の光パルスの光周波数をスキャンできるようにした誘導ラマン散乱計測装置が開示されている。ＯＰＯは、該一方の光パルスを出力する結晶の傾きだけでなく温度も変えることで比較的広い光周波数範囲をスキャンできる。また、非特許文献４には、上記２色のうち一方の光パルスを射出する周期分極反転素子の温度を変化させることで、該光パルスの光周波数をスキャンすることができるようにした誘導ラマン散乱計測装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０‐４８８０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】誘導ラマン散乱顕微鏡の原理確認；嶽 文宏、小関泰之、伊東一良、Optics &Photonics Japan 2008，5pC12，2008年11月5日
【非特許文献２】Chiristian W. Freudiger, Wei Min, Brian G. Saar, Sijia Lu, Gary R. Holtom, Chengwei He, Jason C. Tsai, Jing X. Kang, X. Sunney Xie, “Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy (誘導ラマン散乱を用いた顕微鏡による非標識の高感度生物医学的画像解析)” SCIENCE VOL322 19 DECEMBER 2008 pp. 1857-1861
【非特許文献３】ハーバード大学（論文,2010）”Label-Free, Real-Time Monitoring of Biomass Processing with Stimulated Raman Scattering Microscopy”（Supporting Information）
【非特許文献４】ミラノ工大（論文,2010） “Fiber-format stimulated-Raman-scattering microscopy from a single laser oscillator”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および非特許文献３，４にて開示された誘導ラマン散乱計測装置では、ＯＰＯの結晶やＰＰＬＮの温度を変化させることで光周波数のスキャンを徐々に行うため、広い周波数範囲でのラマンスペクトルを取得するためには長時間を要する。短時間で広い光周波数範囲のスキャンを行うために、広帯域のレーザー光を音響光学フィルタ（一般にＡＯＴＦと呼ばれる）によってフィルタリングする方法や、２色のレーザー光にチャープを与え、パルス間の時間差を制御することで分子振動の周波数を変化させたりする方法も知られている。しかし、これらの方法を用いると、誘導ラマン散乱計測装置においてはスペクトル分解能が不足する。
【０００８】
本発明は、高分解能で広帯域のラマンスペクトルを高速で得られるようにした誘導ラマン散乱計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての誘導ラマン散乱計測装置は、第１の光を生成する第１の光生成手段と、第１の光とは異なる光周波数を有する第２の光を生成する第２の光生成手段と、第１の光と第２の光を合成して試料に照射する照射光学系と、第１の光と第２の光が試料に照射されることで生じた誘導ラマン散乱を検出する検出手段とを有する。第１の光生成手段は、入射光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子と、第１の光源からの光を光分散素子に導く導光光学系とを有し、光分散素子および導光光学系に含まれる光学素子のうち少なくとも一方の素子を駆動して入射光の光分散素子への入射角を変化させ、上記異なる方向に分離した光のうち一部を抽出することにより第１の光の光周波数を可変とする。第２の光生成手段は、少なくとも１つの第２の光源からの光を用いて、互いに異なる光周波数を有する複数の第２の光を生成する。そして、複数の第２の光のそれぞれの光周波数に対して、第１の光の光周波数を変化させることでラマンスペクトルを計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の第２の光のそれぞれの光周波数に対して第１の光の光周波数を素子の傾き変化によって変化させることで、高速に広い周波数範囲でのラマンスペクトルを高分解能で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１である誘導ラマン散乱計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施例２である誘導ラマン散乱計測装置の構成を示すブロック図。
【図３】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置に用いられる第１のパルス光生成部の構成を示すブロック図。
【図４】実施例１，２の誘導ラマン散乱計測装置に用いられる第１のパルス光生成部の変形例の構成を示すブロック図。
【図５】実施例１，２の誘導ラマン散乱計測装置に用いられる第１のパルス光生成部の他の変形例の構成を示すブロック図。
【図６】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置における光周波数スキャンの様子を示す図。
【図７】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置を用いた実験により得られた第１のパルス光の光周波数スキャン結果を示す図。
【図８】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置を用いた実験により得られたイメージを示す図。
【図９】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置を用いた実験により得られたラマンスペクトルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１には、本発明の実施例１である誘導ラマン散乱計測装置の概略構成を示している。該ＳＲＳ計測装置１００は、顕微鏡や内視鏡を含む観察、測定および診断その他の用途を有する装置として用いることができる。
【００１４】
本実施例のＳＲＳ計測装置１００は、ストークス光となる第１のパルス光（第１の光）を生成する第１のパルス光生成部（第１の光生成手段）１と、ポンプ光となる第２のパルス光（第２の光）を生成する第２のパルス光生成部（第２の光生成手段）２とを有する。また、計測装置１００は、第１および第２のパルス光生成部１，２に設けられた光源（これについては後述する）の発光タイミングを制御するためのループフィルタ（ＬＦ）３および２光子吸収フォトダイオード（ＴＰＡ−ＰＤ）４を有する。さらに、計測装置１００は、ミラー群５と、合波ミラー（合波素子）６と、照射光学系７と、集光光学系９と、色フィルタ１０と、光検出部（検出手段）３０とを有する。照射光学系７と集光光学系９との間には、測定対象である試料８が配置される。
【００１５】
第１の光パルス生成部１は、第１の光源１１と、波長可変（すなわち光周波数可変）バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ）１２と、Ｙｂ添加ファイバーアンプ（ＹＤＦＡ）１３とによって構成されている。第１の光源１１は、パルス光を第１のパルス周期で繰り返し射出（発振）する光源であり、本実施例では、モードロックＹｂファイバーレーザー光源（ＹｂＦＬ）を用いている。第１の光源１１から射出されるパルス光は、例えば、中心光周波数としてωＳ０（波長１０３０ｎｍ）を有し、繰り返し周波数（νＳ）として１７．５ＭＨｚを有する。
【００１６】
波長可変バンドパスフィルタ１２は、第１の光源１１から入射したパルス光の光周波数ωＳを、ωＳ１とωＳ２（ωＳ１＜ωＳ２）との間で変化させる。波長可変バンドパスフィルタ１２の構成については後述する。Ｙｂ添加ファイバーアンプ１３は、波長可変バンドパスフィルタ１２から射出されたパルス光を増幅する。こうしてＹｂ添加ファイバーアンプ１３により増幅された光周波数ωＳがωＳ１とωＳ２との間で可変である第１のパルス光が、第１の光パルス生成部１から射出される。
【００１７】
波長可変バンドパスフィルタ１２の構成について、図３を用いて説明する。波長可変バンドパスフィルタ１２は、ハーフミラー１２１、可動光偏向素子１２２、第１のレンズ１２３および第２のレンズ１２４によって構成される導光光学系と、光分散素子１２５と、ファイバーコリメーター１２６とにより構成されている。第１および第２のレンズ１２３，１２４はそれぞれ、焦点距離ｆ１，ｆ２を有する。
【００１８】
第１の光源（ＹｂＦＬ）１１からのパルス光は、ハーフミラー１２１を透過して可動光偏向素子１２２に入射する。可動光偏向素子１２２は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、リゾナントスキャナ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等、高速で回転または揺動可能であり、射出光の向きを変えることができる光学素子である。駆動部１２８は、可動光偏向素子１２２を回転駆動するためのアクチュエータや電気回路を含む。
【００１９】
可動光偏向素子１２２で反射されたパルス光は、第１のレンズ１２３および第２のレンズ１２４を通過して光分散素子１２５に導かれる。可動光偏向素子１２２の光偏向作用によって、図中に実線および一点鎖線で示すように、光分散素子１２５に入射するパルス光の入射角が変化する。
【００２０】
光分散素子１２５は、入射光を光周波数に応じて異なる方向に分離する素子であり、本実施例および後述する実施例２では、刻線方向が図の紙面に垂直である回折格子を用いている。回折格子の分散を利用して第１のパルス光のスペクトル幅を十分に狭くすることができる。なお、光分散素子としては、回折格子以外にプリズムを用いることもできる。
【００２１】
本実施例では、可動光偏向素子１２２と第１のレンズ１２３との間および第１のレンズ１２３とその後側焦点位置との間の距離が焦点距離ｆ１に一致する。また、第２のレンズ１２４とその前側焦点位置との間および第２のレンズ１２４と光分散素子１２５との間の距離が焦点距離ｆ２に一致する。これにより、４ｆ結像系が構成される。このため、可動光偏向素子１２２の光偏向作用にかかわらず、光分散素子１２５には平行光としてのパルス光が入射し、該パルス光の光分散素子１２５上での入射位置も変化しない。しかも、光分散素子１２５から射出するパルス光の光周波数が変化しても、群遅延（群速度）は一定に維持される。
【００２２】
光分散素子１２５から、これへの入射角に応じた光周波数ωＳ（ωＳ１〜ωＳ２）を有して射出（リトロー反射）したパルス光は、再び第２のレンズ１２４、第１のレンズ１２３および可動光偏向素子１２２を介してハーフミラー１２１に入射する。そして、ハーフミラー１２１で反射されてファイバーコリメーター１２６に入射する。つまり、光分散素子１２５にてそれぞれ異なる方向に分離された光のうちの一部が抽出される。ファイバーコリメーター１２６にてコリメートされた光パルスは、Ｙｂ添加ファイバーアンプ１３に向けて射出される。
【００２３】
なお、Ｙｂ添加ファイバーアンプ１３において、第１のパルス光の光周波数に応じて群遅延の変動が問題となる場合には、第２のレンズ１２４と光分散素子１２５との間の距離を変化させることでこれを補償することも可能である。また、Ｙｂ添加ファイバーアンプ１３を、そのゲインが飽和する状態で使用することで、第１のパルス光の光周波数がスキャンされることによる該アンプ１３からの出力の変動を抑制することができる。
【００２４】
図１において、第２の光パルス生成部２は、第２の光源２１と、Ｅｒ添加ファイバーアンプ（ＥＤＦＡ）２２と、高非線形ファイバー（ＨＮＬＦ）２３と、複数（本実施例では４つ）の周期分極反転ニオブ酸リチウム素子（ＰＰＬＮ）２４ａ〜２４ｄとを含む。第２の光源２１は、パルス光を第２のパルス周期で繰り返し射出（発振）する光源であり、本実施例では、モードロックＥｒファイバーレーザー光源（ＥｒＦＬ）を用いている。第２の光源２１から射出されるパルス光は、第１の光源１１から射出されるパルス光とは異なる中心光周波数としてωＰ（波長１５５０ｎｍ）を有し、繰り返し周波数（２νＳ）として３５ＭＨｚを有する。
【００２５】
Ｅｒ添加ファイバーアンプ（ＥＤＦＡ）２２は、第２の光源２１から射出されたパルス光を増幅して射出する。
【００２６】
高非線形ファイバー２３は、Ｅｒ添加ファイバーアンプ２２にて増幅されたパルス光の光周波数帯域を広げてスーパーコンティニュウム（ＳＣ）パルス光に変換する。周期分極反転ニオブ酸リチウム素子２４ａ〜２４ｄは、高非線形ファイバー２３からのＳＣパルス光のうち互いに異なる光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４を有する複数（４つ）のパルス光成分の第２高調波をそれぞれ発生させる高調波発生素子として機能する。周期分極反転ニオブ酸リチウム素子２４ａ〜２４ｄから射出された４つの第２高調波が、互いに異なる光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４を有する４つの第２のパルス光として第２の光パルス生成部２から同時に射出される。なお、本実施例では、ωｐ１＜ωｐ２＜ωｐ３＜ωｐ４とする。
【００２７】
本実施例では、第１のパルス光の繰り返し周波数を、第２のパルス光の繰り返し周波数の二分の一としている。このため、第１のパルス光の各光パルスは、第２のパルス光の２つの光パルスに対して１つという同期したタイミングで生成される。これにより、第１のパルス光の繰り返し周波数を第２のパルス光の繰り返し周波数の三分の一や四分の一とする場合と比較して、誘導ラマン散乱効果を引き起こす回数を最も多くすることができ、より高い精度で試料８の分子振動イメージを取得することができる。ただし、第１のパルス光の繰り返し周波数は、第２のパルス光の繰り返し周波数の二分の一に限られず、四分の一等、偶数分の一としてもよい。
【００２８】
２光子吸収フォトダイオード４は、第１の光源１１から射出されたパルス光と第２の光源２１から射出されて高非線形ファイバー２３を通過したパルス光とを光電変換し、これらパルス光のタイミング差を示す電圧信号を出力する。このタイミング差を示す電圧信号は、ループフィルタ３を介して第１および第２の光源１１，２１に導入される。第１および第２の光源１１，２１は、その内部回路によって該電圧信号が一定となるように（つまり、上述した同期タイミングが得られるように）パルス光の発光タイミングを制御する。
【００２９】
なお、本実施例では、第１および第２の光源１１，１２として、モードロックＹｂファイバーレーザー光源やモードロックＥｒファイバーレーザー光源を用いている。しかし、これら以外のファイバーレーザー光源や、ファイバーレーザー光源以外のレーザー光源、例えばチタンサファイヤレーザー光源を用いることも可能である。
【００３０】
また、本実施例では、第１のパルス光および第２のパルス光のうち繰り返し周波数が低い第１のパルス光をストークス光として用い、繰り返し周波数が高い第２のパルス光をポンプ光として用いる場合について説明する。しかし、繰り返し周波数が低い第１のパルス光をポンプ光として用い、繰り返し周波数が高い第２のパルス光をストークス光として用いてもよい。
【００３１】
第２のパルス光生成部２から射出された４つの第２のパルス光は、複数のダイクロイックミラーと複数のミラーとにより構成されたミラー群５によって合波ミラー６に導かれ、ここで第１の光パルス生成部１から射出された第１のパルス光と同軸に合波（合成）される。合波されたパルス光は、照射光学系７によって試料８に集光照射される。
【００３２】
試料８に照射されるパルス光において、第１および第２のパルス光の繰り返し周波数をそれぞれνＳ，２νＳとするとき、時間１／（２νＳ）ごとに第１および第２のパルス光（４つの第２のパルス光）の両方と、第２のパルス光のみとが交互に現れる。そして、第１および第２のパルス光の光周波数の差（ωｐｎ−ωＳ：ｎ＝１〜４）が試料８における被測定分子の分子振動数と一致した状態で第１および第２のパルス光の双方が試料８に照射されたとき（時間１／νＳごと）に誘導ラマン散乱が生じる。このため、誘導ラマン散乱は、第２のパルス光に周波数νＳの強度変調を生じさせる。
【００３３】
試料８から射出された、第１のパルス光と誘導ラマン散乱によって強度変調された４つの第２のパルス光は、集光光学系９によって集光される。集光光学系９で集光された第１および第２のパルス光は色フィルタ１０に入射し、ここで４つの第２のパルス光のみが透過されて光検出部３０に入射する。
【００３４】
光検出部３０は、４つの第２のパルス光をそれらの光周波数に応じて分離する３つのダイクロイックミラー３１ａ〜３１ｃと、分離された４つの第２のパルス光をそれぞれの光強度に応じた電気信号に変換する４つのフォトダイオード３２ａ〜３２ｄとを有する。さらに、光検出部３０は、４つのフォトダイオード１１からの出力信号がそれぞれ入力される４つのロックインアンプ３３ａ〜３３ｄを有する。４つのロックインアンプ３３ａ〜３３ｄは、第１のパルス光生成部１からの周波数参照信号Ｒｅｆに応じたνＳをロックイン周波数として同期検波する。これにより、誘導ラマン散乱によって発生した光（第２のパルス光の強度変調成分）のみが検出される。そして、試料８に対して第１および第２のパルス光の照射領域をスキャンすることで、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｄからの出力を取り込んだ演算器３４は、該試料８中の被測定分子の分子振動イメージを取得する。このとき、第１のパルス光の光周波数ωＳ（ωＳ１〜ωＳ２）が、４つの第２のパルス光の光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４のそれぞれに対して変更（スキャン）されることで、連続した広い周波数範囲での分子振動イメージやラマンスペクトルが得られる。
【００３５】
図６（Ａ）には、第１のパルス光生成部１から射出される第１のパルス光の光周波数ωＳ（中心光周波数ωＳ０）が波長可変バンドパスフィルタ１２によってωＳ１〜ωＳ２の範囲Ｗｓでスキャンされる様子を示している。図６（Ｂ）には、第２のパルス光生成部２から射出される、それぞれ光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４を有する４つの第２のパルス光を示している。
ここで、光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４の相互間（４つの第２のパルス光間の光周波数）の差である周波数ピッチをＷＰとするとき、第１のパルス光の光周波数の可変幅（スキャン幅）ＷＳは、ＷＰ以上とすることが望ましい。
【００３６】
そして、図６（Ｃ）に示すように、４つの第２のパルス光の光周波数のそれぞれに対して第１のパルス光の光周波数がスキャンされることで、振動数ωｐ１−ωＳ２から振動数ωｐ４−ωＳ１までの連続した広い振動波数範囲ＷＲでラマンスペクトルを検出することができる。なお、図６（ｃ）には、第１のパルス光の光周波数のスキャン幅ＷＳがＷＰに一致する場合を示している。
【００３７】
ラマンスペクトルを検出する目標のスペクトル範囲（所定の光周波数範囲）が決まっていれば、この範囲のスキャンができるように第１のパルス光の光周波数のスキャン幅と複数の第２のパルス光の数および光周波数とを選択すればよい。
【００３８】
本実施例によれば、第２のパルス光生成部２から同時に射出された複数の第２のパルス光の光周波数のそれぞれに対して、第１のパルス光の光周波数を、波長可変バンドパスフィルタ１２における可動光偏向素子１２２の高速回転を利用してスキャンする。したがって、高速スキャンが可能で、短時間で広い振動数範囲のラマンスペクトルを得ることができる。
【００３９】
また、波長可変バンドパスフィルタ１２によって第１のパルス光の各スキャンポイント光周波数でのスペクトル幅を十分に狭くしているので、ラマンスペクトルを高分解能で検出することができる。
【００４０】
図７には、本実施例に示した波長可変バンドパスフィルタ１２を用いた第１のパルス光の光周波数スキャンの実験例を示している。第１のパルス光の光周波数の有効なスキャン幅としては２４ｎｍが得られ、各スキャンポイント光周波数でのスペクトル幅は０．３ｎｍ程度であった。このスペクトル幅は、ラマンスペクトルを高分解能で検出するために十分に狭い。
【００４１】
図８には、本実施例で採用している高速波長可変バンドパスフィルター（ＴＢＰＦ）を使用して実験にて検出したポリスチレン（直径１０μｍのビーズ）とＰＭＭＡ（直径４μｍのビーズ）のラマンスペクトルを示している。また、図９（ａ）〜（ｄ）には、これらポリスチレンとＰＭＭＡをイメージングした結果を示している。特に図８において良く分かるように、波数２９２０ｃｍ−１前後での検出値（光強度）はポリスチレンとＰＭＭＡとでほとんど差はない。しかし、ＷＲに相当する振動数範囲（光波数にして２８００〜３１００ｃｍ−１）をスキャンすることで、ポリスチレンとＰＭＭＡのラマンスペクトルに明確な差が現れた。したがって、ポリスチレンとＰＭＭＡを確実に識別して検出することができる。なお、本実験では、ポンプ光光源として繰り返し数７６ＭＨｚのチタンサファイヤレーザーを用い、ストークス光光源として繰り返し数３８ＭＨｚのモードロックＹｂファイバーレーザーを用いた。
【実施例２】
【００４２】
図２には、本発明の実施例２であるＳＲＳ計測装置１００′の概略構成を示している。本実施例において、実施例１で説明した構成要素と共通する構成要素については実施例１と同符号を付して、その説明は省略する。
【００４３】
実施例１では、第２のパルス光生成部２から同時に互いに異なる周波数を有する複数の第２のパルス光を射出する場合について説明した。これに対して、本実施例では、第２のパルス光生成部２′を、互いに異なる光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４を有する複数（本実施例でも４つ）の第２のパルス光を順次射出する（順次生成する）ように構成している。具体的には、高非線形ファイバー２３と４つのＰＰＬＮ２４ａ〜２４ｄとの間に、高非線形ファイバー２３からの該４つのＰＰＬＮ２４ａ〜２４ｄへのパルス光の入射を順次切り替えるための４つの光スイッチ２５ａ〜２５ｄが設けられている。
【００４４】
また、光検出部３０′には、ラマン散乱による第２のパルス光の強度変調成分（光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４）を順次検出するための１つのフォトダイオード３２と１つのロックインアンプ３３とが設けられている。演算部３４は、第１のパルス光の光周波数ωＳ（ωＳ１〜ωＳ２）が４つの第２のパルス光の光周波数のそれぞれに対して順次スキャンされるように４つの光スイッチ２５ａ〜２５ｄのＯＮ／ＯＦＦを制御する。このようにして、演算部３４は、１つのロックインアンプ３３の出力から、連続した広い周波数範囲ＷＲでの分子振動イメージやラマンスペクトルを得る。
【００４５】
本実施例では、４つの第２のパルス光に対する第１のパルス光の光周波数スキャンを一括して行う実施例１に比べれば、目標とするラマンスペクトル範囲をスキャンするために要する時間は長くなる。しかし、本実施例では、試料８に対して一度に照射される光の強度が、第１のパルス光の強度と１つの第２のパルス光の強度の合計であり、第１のパルス光の強度と４つの第２のパルス光の強度の合計となる実施例１に比べて低い。このため、実施例１に比べて、試料８に対して低強度の光の照射で分子振動イメージやラマンスペクトルを得ることができる。
【実施例３】
【００４６】
実施例１，２における第１のパルス光生成部１の波長可変バンドパスフィルタ１２として、実施例１（図３）に示したものとは異なる波長可変バンドパスフィルタを使用することもできる。
【００４７】
例えば、図４に示す波長可変バンドパスフィルタ１２′では、図３に示した可動光偏向素子１２２に代えて、向きが固定されたハーフミラー１２７を用いている。ハーフミラー１２７を透過した第１の光源（ＹｂＦＬ）１１からのパルス光は、第１および第２のレンズ１２３，１２４を透過して光分散素子１２５に平行光として入射する。
【００４８】
この波長可変バンドパスフィルタ１２′では、光分散素子１２５を駆動部１２９によって回転（揺動）させることで、第１のパルス光の光周波数ωＳをωＳ１〜ωＳ２にてスキャンする。光分散素子１２５でリトロー反射したパルス光は、再び第２および第１のレンズ１２４，１２３を透過してハーフミラー１２７で反射され、ファイバーコリメーター１２６にてコリメートされてＹｂ添加ファイバーアンプ１３に向けて射出される。
【００４９】
なお、この波長可変バンドパスフィルタ１２′において、原理的には第１および第２のレンズ１２３，１２４を取り除いてもよい。ただし、光分散素子１２５に入射するビームの直径が小さいままなのでファイバーコリメーター１２６に向かう光のスペクトル幅が広くなり、ラマンスペクトルの分解能は低くなる傾向があるのでレンズ１２３，１２４を備えることが望ましい。
【００５０】
また、図５に示す波長可変バンドパスフィルタ１２″を用いてもよい。光サーキュレータ１３０の入射ポートから入射した第１の光源（ＹｂＦＬ）１１からのパルス光は、該光サーキュレータ１３０の入出射ポートから射出して、レンズ１３１（焦点距離ｆ２）を透過して平行光として光分散素子１２５に入射する。この波長可変バンドパスフィルタ１２″でも、光分散素子１２５を駆動部１２９によって回転（揺動）させることで、第１のパルス光の光周波数ωＳをωＳ１〜ωＳ２にてスキャンする。光分散素子１２５でリトロー反射したパルス光は、上記入出射ポートから光サーキュレータ１３０に入射し、出射ポートからＹｂ添加ファイバーアンプ１３に向けて射出される。
【００５１】
このように、波長可変バンドパスフィルタとしては、光の入射角に応じて射出光の光周波数を変化させる光分散素子およびこれに光を導く導光光学系に含まれる光学素子のうち少なくとも一方の素子の傾きを変えることで入射角を変化させる構成を有すればよい。また、「少なくとも一方」は、光分散素子と光学素子の両方の傾きを変化させる場合も含む意味である。
【００５２】
なお、上記各実施例にて説明したパルス光の光周波数、波長、繰り返し周波数等のパラメータは例に過ぎず、他のパラメータを用いてもよい。
【００５３】
また、上記各実施例では、光分散素子として回折格子を用いた場合について説明したが、回折格子以外の素子であっても、光の入射角に応じて射出光の光周波数を変化させるものであれば光分散素子として使用することが可能である。
【００５４】
さらに、上記実施例１，２では、第２のパルス光生成部に１つの第２の光源を設け、該第２の光源からの光を用いて互いに光周波数が異なる複数の第２のパルス光を生成する場合について説明した。しかし、互いに光周波数が異なる光をそれぞれ発する複数の第２の光源を用いてもよい。つまり、第２の光源は、少なくとも１つあればよい。
また、第２のパルス生成部は、実施例１，２において説明した高調波同期法に限らず、 強度変調器を用いた構成を有してもよい。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
高速に広帯域のラマンスペクトルを高分解能で得られる誘導ラマン散乱計測装置を提供できる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 第１のパルス光生成部
２ 第２のパルス光生成部
６ 合波ミラー
８ 試料
１０ 色フィルタ
１２ 波長可変バンドパスフィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導ラマン散乱を利用して分子振動イメージングを行う顕微鏡や内視鏡等に用いられる誘導ラマン散乱計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン散乱原理を利用した計測装置の１つとしての誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering：ＳＲＳ）計測装置は、非特許文献１や非特許文献２にて提案されている。誘導ラマン散乱計測装置の原理は、以下の通りである。
【０００３】
互いに光周波数が異なる２色の光パルスを試料に集光照射する。この場合に、該２色の光パルスの周波数の差が試料の分子振動周波数と一致すると、集光点にて誘導ラマン散乱という現象が生じ、試料を透過した２色の光パルスのうち光周波数が高い方の強度が減少し、光周波数が低い方の強度が増大する現象が生じる。この強度変化を検出することで、試料の分子の振動情報を反映した分子振動イメージングが可能となる。この際、２色の光パルスの一方に予め強度変調を施したり繰り返し周波数を整数倍だけ異ならせたりすると、誘導ラマン散乱による強度変化も変調される。このため、他方（すなわち予め強度変調を施していない方）の強度変化の変調分をロックインアンプにより検出すれば、高感度の誘導ラマン散乱の検出が可能となる。
【０００４】
このような誘導ラマン散乱計測装置において、特定の光周波数のみを用いて分子振動を検出するだけでなく、広い振動数範囲での分子振動スペクトル（以後ラマンスペクトルという）を検出することで、試料の識別能がより向上すると期待される。特許文献１や非特許文献３には、１つ又は複数のオプティカルパラメトリック発振器（以後ＯＰＯという）の発振波長可変機能を用いて、上記２色のうち一方の光パルスの光周波数をスキャンできるようにした誘導ラマン散乱計測装置が開示されている。ＯＰＯは、該一方の光パルスを出力する結晶の傾きだけでなく温度も変えることで比較的広い光周波数範囲をスキャンできる。また、非特許文献４には、上記２色のうち一方の光パルスを射出する周期分極反転素子の温度を変化させることで、該光パルスの光周波数をスキャンすることができるようにした誘導ラマン散乱計測装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０‐４８８０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】誘導ラマン散乱顕微鏡の原理確認；嶽 文宏、小関泰之、伊東一良、Optics &Photonics Japan 2008，5pC12，2008年11月5日
【非特許文献２】Chiristian W. Freudiger, Wei Min, Brian G. Saar, Sijia Lu, Gary R. Holtom, Chengwei He, Jason C. Tsai, Jing X. Kang, X. Sunney Xie, “Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy (誘導ラマン散乱を用いた顕微鏡による非標識の高感度生物医学的画像解析)” SCIENCE VOL322 19 DECEMBER 2008 pp. 1857-1861
【非特許文献３】ハーバード大学（論文,2010）”Label-Free, Real-Time Monitoring of Biomass Processing with Stimulated Raman Scattering Microscopy”（Supporting Information）
【非特許文献４】ミラノ工大（論文,2010） “Fiber-format stimulated-Raman-scattering microscopy from a single laser oscillator”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および非特許文献３，４にて開示された誘導ラマン散乱計測装置では、ＯＰＯの結晶やＰＰＬＮの温度を変化させることで光周波数のスキャンを徐々に行うため、広い周波数範囲でのラマンスペクトルを取得するためには長時間を要する。短時間で広い光周波数範囲のスキャンを行うために、広帯域のレーザー光を音響光学フィルタ（一般にＡＯＴＦと呼ばれる）によってフィルタリングする方法や、２色のレーザー光にチャープを与え、パルス間の時間差を制御することで分子振動の周波数を変化させたりする方法も知られている。しかし、これらの方法を用いると、誘導ラマン散乱計測装置においてはスペクトル分解能が不足する。
【０００８】
本発明は、高分解能で広帯域のラマンスペクトルを高速で得られるようにした誘導ラマン散乱計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての誘導ラマン散乱計測装置は、第１の光を生成する第１の光生成手段と、第１の光とは異なる光周波数を有する第２の光を生成する第２の光生成手段と、第１の光と第２の光を合成して試料に照射する照射光学系と、第１の光と第２の光が試料に照射されることで生じた誘導ラマン散乱を検出する検出手段とを有する。第１の光生成手段は、入射光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子と、第１の光源からの光を光分散素子に導く導光光学系とを有し、光分散素子および導光光学系に含まれる光学素子のうち少なくとも一方の素子を駆動して入射光の光分散素子への入射角を変化させ、上記異なる方向に分離した光のうち一部を抽出することにより第１の光の光周波数を可変とする。第２の光生成手段は、少なくとも１つの第２の光源からの光を用いて、互いに異なる光周波数を有する複数の第２の光を生成する。そして、複数の第２の光のそれぞれの光周波数に対して、第１の光の光周波数を変化させることでラマンスペクトルを計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の第２の光のそれぞれの光周波数に対して第１の光の光周波数を素子の傾き変化によって変化させることで、高速に広い周波数範囲でのラマンスペクトルを高分解能で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１である誘導ラマン散乱計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施例２である誘導ラマン散乱計測装置の構成を示すブロック図。
【図３】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置に用いられる第１のパルス光生成部の構成を示すブロック図。
【図４】実施例１，２の誘導ラマン散乱計測装置に用いられる第１のパルス光生成部の変形例の構成を示すブロック図。
【図５】実施例１，２の誘導ラマン散乱計測装置に用いられる第１のパルス光生成部の他の変形例の構成を示すブロック図。
【図６】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置における光周波数スキャンの様子を示す図。
【図７】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置を用いた実験により得られた第１のパルス光の光周波数スキャン結果を示す図。
【図８】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置を用いた実験により得られたイメージを示す図。
【図９】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置を用いた実験により得られたラマンスペクトルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１には、本発明の実施例１である誘導ラマン散乱計測装置の概略構成を示している。該ＳＲＳ計測装置１００は、顕微鏡や内視鏡を含む観察、測定および診断その他の用途を有する装置として用いることができる。
【００１４】
本実施例のＳＲＳ計測装置１００は、ストークス光となる第１のパルス光（第１の光）を生成する第１のパルス光生成部（第１の光生成手段）１と、ポンプ光となる第２のパルス光（第２の光）を生成する第２のパルス光生成部（第２の光生成手段）２とを有する。また、計測装置１００は、第１および第２のパルス光生成部１，２に設けられた光源（これについては後述する）の発光タイミングを制御するためのループフィルタ（ＬＦ）３および２光子吸収フォトダイオード（ＴＰＡ−ＰＤ）４を有する。さらに、計測装置１００は、ミラー群５と、合波ミラー（合波素子）６と、照射光学系７と、集光光学系９と、色フィルタ１０と、光検出部（検出手段）３０とを有する。照射光学系７と集光光学系９との間には、測定対象である試料８が配置される。
【００１５】
第１の光パルス生成部１は、第１の光源１１と、波長可変（すなわち光周波数可変）バンドパスフィルタ（ＴＢＰＦ）１２と、Ｙｂ添加ファイバーアンプ（ＹＤＦＡ）１３とによって構成されている。第１の光源１１は、パルス光を第１のパルス周期で繰り返し射出（発振）する光源であり、本実施例では、モードロックＹｂファイバーレーザー光源（ＹｂＦＬ）を用いている。第１の光源１１から射出されるパルス光は、例えば、中心光周波数としてωＳ０（波長１０３０ｎｍ）を有し、繰り返し周波数（νＳ）として１７．５ＭＨｚを有する。
【００１６】
波長可変バンドパスフィルタ１２は、第１の光源１１から入射したパルス光の光周波数ωＳを、ωＳ１とωＳ２（ωＳ１＜ωＳ２）との間で変化させる。波長可変バンドパスフィルタ１２の構成については後述する。Ｙｂ添加ファイバーアンプ１３は、波長可変バンドパスフィルタ１２から射出されたパルス光を増幅する。こうしてＹｂ添加ファイバーアンプ１３により増幅された光周波数ωＳがωＳ１とωＳ２との間で可変である第１のパルス光が、第１の光パルス生成部１から射出される。
【００１７】
波長可変バンドパスフィルタ１２の構成について、図３を用いて説明する。波長可変バンドパスフィルタ１２は、ハーフミラー１２１、可動光偏向素子１２２、第１のレンズ１２３および第２のレンズ１２４によって構成される導光光学系と、光分散素子１２５と、ファイバーコリメーター１２６とにより構成されている。第１および第２のレンズ１２３，１２４はそれぞれ、焦点距離ｆ１，ｆ２を有する。
【００１８】
第１の光源（ＹｂＦＬ）１１からのパルス光は、ハーフミラー１２１を透過して可動光偏向素子１２２に入射する。可動光偏向素子１２２は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、リゾナントスキャナ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等、高速で回転または揺動可能であり、射出光の向きを変えることができる光学素子である。駆動部１２８は、可動光偏向素子１２２を回転駆動するためのアクチュエータや電気回路を含む。
【００１９】
可動光偏向素子１２２で反射されたパルス光は、第１のレンズ１２３および第２のレンズ１２４を通過して光分散素子１２５に導かれる。可動光偏向素子１２２の光偏向作用によって、図中に実線および一点鎖線で示すように、光分散素子１２５に入射するパルス光の入射角が変化する。
【００２０】
光分散素子１２５は、入射光を光周波数に応じて異なる方向に分離する素子であり、本実施例および後述する実施例２では、刻線方向が図の紙面に垂直である回折格子を用いている。回折格子の分散を利用して第１のパルス光のスペクトル幅を十分に狭くすることができる。なお、光分散素子としては、回折格子以外にプリズムを用いることもできる。
【００２１】
本実施例では、可動光偏向素子１２２と第１のレンズ１２３との間および第１のレンズ１２３とその後側焦点位置との間の距離が焦点距離ｆ１に一致する。また、第２のレンズ１２４とその前側焦点位置との間および第２のレンズ１２４と光分散素子１２５との間の距離が焦点距離ｆ２に一致する。これにより、４ｆ結像系が構成される。このため、可動光偏向素子１２２の光偏向作用にかかわらず、光分散素子１２５には平行光としてのパルス光が入射し、該パルス光の光分散素子１２５上での入射位置も変化しない。しかも、光分散素子１２５から射出するパルス光の光周波数が変化しても、群遅延（群速度）は一定に維持される。
【００２２】
光分散素子１２５から、これへの入射角に応じた光周波数ωＳ（ωＳ１〜ωＳ２）を有して射出（リトロー反射）したパルス光は、再び第２のレンズ１２４、第１のレンズ１２３および可動光偏向素子１２２を介してハーフミラー１２１に入射する。そして、ハーフミラー１２１で反射されてファイバーコリメーター１２６に入射する。つまり、光分散素子１２５にてそれぞれ異なる方向に分離された光のうちの一部が抽出される。ファイバーコリメーター１２６にてコリメートされた光パルスは、Ｙｂ添加ファイバーアンプ１３に向けて射出される。
【００２３】
なお、Ｙｂ添加ファイバーアンプ１３において、第１のパルス光の光周波数に応じて群遅延の変動が問題となる場合には、第２のレンズ１２４と光分散素子１２５との間の距離を変化させることでこれを補償することも可能である。また、Ｙｂ添加ファイバーアンプ１３を、そのゲインが飽和する状態で使用することで、第１のパルス光の光周波数がスキャンされることによる該アンプ１３からの出力の変動を抑制することができる。
【００２４】
図１において、第２の光パルス生成部２は、第２の光源２１と、Ｅｒ添加ファイバーアンプ（ＥＤＦＡ）２２と、高非線形ファイバー（ＨＮＬＦ）２３と、複数（本実施例では４つ）の周期分極反転ニオブ酸リチウム素子（ＰＰＬＮ）２４ａ〜２４ｄとを含む。第２の光源２１は、パルス光を第２のパルス周期で繰り返し射出（発振）する光源であり、本実施例では、モードロックＥｒファイバーレーザー光源（ＥｒＦＬ）を用いている。第２の光源２１から射出されるパルス光は、第１の光源１１から射出されるパルス光とは異なる中心光周波数としてωＰ（波長１５５０ｎｍ）を有し、繰り返し周波数（２νＳ）として３５ＭＨｚを有する。
【００２５】
Ｅｒ添加ファイバーアンプ（ＥＤＦＡ）２２は、第２の光源２１から射出されたパルス光を増幅して射出する。
【００２６】
高非線形ファイバー２３は、Ｅｒ添加ファイバーアンプ２２にて増幅されたパルス光の光周波数帯域を広げてスーパーコンティニュウム（ＳＣ）パルス光に変換する。周期分極反転ニオブ酸リチウム素子２４ａ〜２４ｄは、高非線形ファイバー２３からのＳＣパルス光のうち互いに異なる光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４を有する複数（４つ）のパルス光成分の第２高調波をそれぞれ発生させる高調波発生素子として機能する。周期分極反転ニオブ酸リチウム素子２４ａ〜２４ｄから射出された４つの第２高調波が、互いに異なる光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４を有する４つの第２のパルス光として第２の光パルス生成部２から同時に射出される。なお、本実施例では、ωｐ１＜ωｐ２＜ωｐ３＜ωｐ４とする。
【００２７】
本実施例では、第１のパルス光の繰り返し周波数を、第２のパルス光の繰り返し周波数の二分の一としている。このため、第１のパルス光の各光パルスは、第２のパルス光の２つの光パルスに対して１つという同期したタイミングで生成される。これにより、第１のパルス光の繰り返し周波数を第２のパルス光の繰り返し周波数の三分の一や四分の一とする場合と比較して、誘導ラマン散乱効果を引き起こす回数を最も多くすることができ、より高い精度で試料８の分子振動イメージを取得することができる。ただし、第１のパルス光の繰り返し周波数は、第２のパルス光の繰り返し周波数の二分の一に限られず、四分の一等、偶数分の一としてもよい。
【００２８】
２光子吸収フォトダイオード４は、第１の光源１１から射出されたパルス光と第２の光源２１から射出されて高非線形ファイバー２３を通過したパルス光とを光電変換し、これらパルス光のタイミング差を示す電圧信号を出力する。このタイミング差を示す電圧信号は、ループフィルタ３を介して第１および第２の光源１１，２１に導入される。第１および第２の光源１１，２１は、その内部回路によって該電圧信号が一定となるように（つまり、上述した同期タイミングが得られるように）パルス光の発光タイミングを制御する。
【００２９】
なお、本実施例では、第１および第２の光源１１，１２として、モードロックＹｂファイバーレーザー光源やモードロックＥｒファイバーレーザー光源を用いている。しかし、これら以外のファイバーレーザー光源や、ファイバーレーザー光源以外のレーザー光源、例えばチタンサファイヤレーザー光源を用いることも可能である。
【００３０】
また、本実施例では、第１のパルス光および第２のパルス光のうち繰り返し周波数が低い第１のパルス光をストークス光として用い、繰り返し周波数が高い第２のパルス光をポンプ光として用いる場合について説明する。しかし、繰り返し周波数が低い第１のパルス光をポンプ光として用い、繰り返し周波数が高い第２のパルス光をストークス光として用いてもよい。
【００３１】
第２のパルス光生成部２から射出された４つの第２のパルス光は、複数のダイクロイックミラーと複数のミラーとにより構成されたミラー群５によって合波ミラー６に導かれ、ここで第１の光パルス生成部１から射出された第１のパルス光と同軸に合波（合成）される。合波されたパルス光は、照射光学系７によって試料８に集光照射される。
【００３２】
試料８に照射されるパルス光において、第１および第２のパルス光の繰り返し周波数をそれぞれνＳ，２νＳとするとき、時間１／（２νＳ）ごとに第１および第２のパルス光（４つの第２のパルス光）の両方と、第２のパルス光のみとが交互に現れる。そして、第１および第２のパルス光の光周波数の差（ωｐｎ−ωＳ：ｎ＝１〜４）が試料８における被測定分子の分子振動数と一致した状態で第１および第２のパルス光の双方が試料８に照射されたとき（時間１／νＳごと）に誘導ラマン散乱が生じる。このため、誘導ラマン散乱は、第２のパルス光に周波数νＳの強度変調を生じさせる。
【００３３】
試料８から射出された、第１のパルス光と誘導ラマン散乱によって強度変調された４つの第２のパルス光は、集光光学系９によって集光される。集光光学系９で集光された第１および第２のパルス光は色フィルタ１０に入射し、ここで４つの第２のパルス光のみが透過されて光検出部３０に入射する。
【００３４】
光検出部３０は、４つの第２のパルス光をそれらの光周波数に応じて分離する３つのダイクロイックミラー３１ａ〜３１ｃと、分離された４つの第２のパルス光をそれぞれの光強度に応じた電気信号に変換する４つのフォトダイオード３２ａ〜３２ｄとを有する。さらに、光検出部３０は、４つのフォトダイオード１１からの出力信号がそれぞれ入力される４つのロックインアンプ３３ａ〜３３ｄを有する。４つのロックインアンプ３３ａ〜３３ｄは、第１のパルス光生成部１からの周波数参照信号Ｒｅｆに応じたνＳをロックイン周波数として同期検波する。これにより、誘導ラマン散乱によって発生した光（第２のパルス光の強度変調成分）のみが検出される。そして、試料８に対して第１および第２のパルス光の照射領域をスキャンすることで、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｄからの出力を取り込んだ演算器３４は、該試料８中の被測定分子の分子振動イメージを取得する。このとき、第１のパルス光の光周波数ωＳ（ωＳ１〜ωＳ２）が、４つの第２のパルス光の光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４のそれぞれに対して変更（スキャン）されることで、連続した広い周波数範囲での分子振動イメージやラマンスペクトルが得られる。
【００３５】
図６（Ａ）には、第１のパルス光生成部１から射出される第１のパルス光の光周波数ωＳ（中心光周波数ωＳ０）が波長可変バンドパスフィルタ１２によってωＳ１〜ωＳ２の範囲Ｗｓでスキャンされる様子を示している。図６（Ｂ）には、第２のパルス光生成部２から射出される、それぞれ光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４を有する４つの第２のパルス光を示している。
ここで、光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４の相互間（４つの第２のパルス光間の光周波数）の差である周波数ピッチをＷＰとするとき、第１のパルス光の光周波数の可変幅（スキャン幅）ＷＳは、ＷＰ以上とすることが望ましい。
【００３６】
そして、図６（Ｃ）に示すように、４つの第２のパルス光の光周波数のそれぞれに対して第１のパルス光の光周波数がスキャンされることで、振動数ωｐ１−ωＳ２から振動数ωｐ４−ωＳ１までの連続した広い振動波数範囲ＷＲでラマンスペクトルを検出することができる。なお、図６（ｃ）には、第１のパルス光の光周波数のスキャン幅ＷＳがＷＰに一致する場合を示している。
【００３７】
ラマンスペクトルを検出する目標のスペクトル範囲（所定の光周波数範囲）が決まっていれば、この範囲のスキャンができるように第１のパルス光の光周波数のスキャン幅と複数の第２のパルス光の数および光周波数とを選択すればよい。
【００３８】
本実施例によれば、第２のパルス光生成部２から同時に射出された複数の第２のパルス光の光周波数のそれぞれに対して、第１のパルス光の光周波数を、波長可変バンドパスフィルタ１２における可動光偏向素子１２２の高速回転を利用してスキャンする。したがって、高速スキャンが可能で、短時間で広い振動数範囲のラマンスペクトルを得ることができる。
【００３９】
また、波長可変バンドパスフィルタ１２によって第１のパルス光の各スキャンポイント光周波数でのスペクトル幅を十分に狭くしているので、ラマンスペクトルを高分解能で検出することができる。
【００４０】
図７には、本実施例に示した波長可変バンドパスフィルタ１２を用いた第１のパルス光の光周波数スキャンの実験例を示している。第１のパルス光の光周波数の有効なスキャン幅としては２４ｎｍが得られ、各スキャンポイント光周波数でのスペクトル幅は０．３ｎｍ程度であった。このスペクトル幅は、ラマンスペクトルを高分解能で検出するために十分に狭い。
【００４１】
図８には、本実施例で採用している高速波長可変バンドパスフィルター（ＴＢＰＦ）を使用して実験にて検出したポリスチレン（直径１０μｍのビーズ）とＰＭＭＡ（直径４μｍのビーズ）のラマンスペクトルを示している。また、図９（ａ）〜（ｄ）には、これらポリスチレンとＰＭＭＡをイメージングした結果を示している。特に図８において良く分かるように、波数２９２０ｃｍ−１前後での検出値（光強度）はポリスチレンとＰＭＭＡとでほとんど差はない。しかし、ＷＲに相当する振動数範囲（光波数にして２８００〜３１００ｃｍ−１）をスキャンすることで、ポリスチレンとＰＭＭＡのラマンスペクトルに明確な差が現れた。したがって、ポリスチレンとＰＭＭＡを確実に識別して検出することができる。なお、本実験では、ポンプ光光源として繰り返し数７６ＭＨｚのチタンサファイヤレーザーを用い、ストークス光光源として繰り返し数３８ＭＨｚのモードロックＹｂファイバーレーザーを用いた。
【実施例２】
【００４２】
図２には、本発明の実施例２であるＳＲＳ計測装置１００′の概略構成を示している。本実施例において、実施例１で説明した構成要素と共通する構成要素については実施例１と同符号を付して、その説明は省略する。
【００４３】
実施例１では、第２のパルス光生成部２から同時に互いに異なる周波数を有する複数の第２のパルス光を射出する場合について説明した。これに対して、本実施例では、第２のパルス光生成部２′を、互いに異なる光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４を有する複数（本実施例でも４つ）の第２のパルス光を順次射出する（順次生成する）ように構成している。具体的には、高非線形ファイバー２３と４つのＰＰＬＮ２４ａ〜２４ｄとの間に、高非線形ファイバー２３からの該４つのＰＰＬＮ２４ａ〜２４ｄへのパルス光の入射を順次切り替えるための４つの光スイッチ２５ａ〜２５ｄが設けられている。
【００４４】
また、光検出部３０′には、ラマン散乱による第２のパルス光の強度変調成分（光周波数ωｐ１，ωｐ２，ωｐ３，ωｐ４）を順次検出するための１つのフォトダイオード３２と１つのロックインアンプ３３とが設けられている。演算部３４は、第１のパルス光の光周波数ωＳ（ωＳ１〜ωＳ２）が４つの第２のパルス光の光周波数のそれぞれに対して順次スキャンされるように４つの光スイッチ２５ａ〜２５ｄのＯＮ／ＯＦＦを制御する。このようにして、演算部３４は、１つのロックインアンプ３３の出力から、連続した広い周波数範囲ＷＲでの分子振動イメージやラマンスペクトルを得る。
【００４５】
本実施例では、４つの第２のパルス光に対する第１のパルス光の光周波数スキャンを一括して行う実施例１に比べれば、目標とするラマンスペクトル範囲をスキャンするために要する時間は長くなる。しかし、本実施例では、試料８に対して一度に照射される光の強度が、第１のパルス光の強度と１つの第２のパルス光の強度の合計であり、第１のパルス光の強度と４つの第２のパルス光の強度の合計となる実施例１に比べて低い。このため、実施例１に比べて、試料８に対して低強度の光の照射で分子振動イメージやラマンスペクトルを得ることができる。
【実施例３】
【００４６】
実施例１，２における第１のパルス光生成部１の波長可変バンドパスフィルタ１２として、実施例１（図３）に示したものとは異なる波長可変バンドパスフィルタを使用することもできる。
【００４７】
例えば、図４に示す波長可変バンドパスフィルタ１２′では、図３に示した可動光偏向素子１２２に代えて、向きが固定されたハーフミラー１２７を用いている。ハーフミラー１２７を透過した第１の光源（ＹｂＦＬ）１１からのパルス光は、第１および第２のレンズ１２３，１２４を透過して光分散素子１２５に平行光として入射する。
【００４８】
この波長可変バンドパスフィルタ１２′では、光分散素子１２５を駆動部１２９によって回転（揺動）させることで、第１のパルス光の光周波数ωＳをωＳ１〜ωＳ２にてスキャンする。光分散素子１２５でリトロー反射したパルス光は、再び第２および第１のレンズ１２４，１２３を透過してハーフミラー１２７で反射され、ファイバーコリメーター１２６にてコリメートされてＹｂ添加ファイバーアンプ１３に向けて射出される。
【００４９】
なお、この波長可変バンドパスフィルタ１２′において、原理的には第１および第２のレンズ１２３，１２４を取り除いてもよい。ただし、光分散素子１２５に入射するビームの直径が小さいままなのでファイバーコリメーター１２６に向かう光のスペクトル幅が広くなり、ラマンスペクトルの分解能は低くなる傾向があるのでレンズ１２３，１２４を備えることが望ましい。
【００５０】
また、図５に示す波長可変バンドパスフィルタ１２″を用いてもよい。光サーキュレータ１３０の入射ポートから入射した第１の光源（ＹｂＦＬ）１１からのパルス光は、該光サーキュレータ１３０の入出射ポートから射出して、レンズ１３１（焦点距離ｆ２）を透過して平行光として光分散素子１２５に入射する。この波長可変バンドパスフィルタ１２″でも、光分散素子１２５を駆動部１２９によって回転（揺動）させることで、第１のパルス光の光周波数ωＳをωＳ１〜ωＳ２にてスキャンする。光分散素子１２５でリトロー反射したパルス光は、上記入出射ポートから光サーキュレータ１３０に入射し、出射ポートからＹｂ添加ファイバーアンプ１３に向けて射出される。
【００５１】
このように、波長可変バンドパスフィルタとしては、光の入射角に応じて射出光の光周波数を変化させる光分散素子およびこれに光を導く導光光学系に含まれる光学素子のうち少なくとも一方の素子の傾きを変えることで入射角を変化させる構成を有すればよい。また、「少なくとも一方」は、光分散素子と光学素子の両方の傾きを変化させる場合も含む意味である。
【００５２】
なお、上記各実施例にて説明したパルス光の光周波数、波長、繰り返し周波数等のパラメータは例に過ぎず、他のパラメータを用いてもよい。
【００５３】
また、上記各実施例では、光分散素子として回折格子を用いた場合について説明したが、回折格子以外の素子であっても、光の入射角に応じて射出光の光周波数を変化させるものであれば光分散素子として使用することが可能である。
【００５４】
さらに、上記実施例１，２では、第２のパルス光生成部に１つの第２の光源を設け、該第２の光源からの光を用いて互いに光周波数が異なる複数の第２のパルス光を生成する場合について説明した。しかし、互いに光周波数が異なる光をそれぞれ発する複数の第２の光源を用いてもよい。つまり、第２の光源は、少なくとも１つあればよい。
また、第２のパルス生成部は、実施例１，２において説明した高調波同期法に限らず、 強度変調器を用いた構成を有してもよい。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
高速に広帯域のラマンスペクトルを高分解能で得られる誘導ラマン散乱計測装置を提供できる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 第１のパルス光生成部
２ 第２のパルス光生成部
６ 合波ミラー
８ 試料
１０ 色フィルタ
１２ 波長可変バンドパスフィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を生成する第１の光生成手段と、
前記第１の光とは異なる光周波数を有する第２の光を生成する第２の光生成手段と、
前記第１の光と前記第２の光を合成して試料に照射する照射光学系と、
前記第１の光と前記第２の光が前記試料に照射されることで生じた誘導ラマン散乱を検出する検出手段とを有し、
前記第１の光生成手段は、入射光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子と、第１の光源からの光を前記光分散素子に導く導光光学系とを有し、前記光分散素子および前記導光光学系に含まれる光学素子のうち少なくとも一方の素子を駆動して前記入射光の前記光分散素子への入射角を変化させ、前記異なる方向に分離された光のうちの一部を抽出することにより前記第１の光の光周波数を可変とし、
前記第２の光生成手段は、少なくとも１つの第２の光源からの光を用いて、互いに異なる光周波数を有する複数の前記第２の光を生成し、
前記複数の第２の光のそれぞれの光周波数に対して、前記第１の光の光周波数を変化させることでラマンスペクトルを計測することを特徴とする誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項２】
前記光分散素子は、回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項３】
前記第２の光生成手段は、１つの前記第２の光源からの光の光周波数帯域を広げる高非線形ファイバーと、該高非線形ファイバーからの光のうち互いに光周波数が異なる複数の光成分の高調波をそれぞれ発生させる複数の高調波発生素子とを有し、前記複数の高調波を用いて前記複数の第２の光を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項４】
前記複数の第２光間の光周波数の差をＷＰとするとき、
前記第１の光の光周波数の可変幅がＷＰ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１】
第１の光を生成する第１の光生成手段と、
前記第１の光とは異なる光周波数を有する第２の光を生成する第２の光生成手段と、
前記第１の光と前記第２の光を合成して試料に照射する照射光学系と、
前記第１の光と前記第２の光が前記試料に照射されることで生じた誘導ラマン散乱を検出する検出手段とを有し、
前記第１の光生成手段は、入射光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子と、第１の光源からの光を前記光分散素子に導く導光光学系とを有し、前記光分散素子および前記導光光学系に含まれる光学素子のうち少なくとも一方の素子を駆動して前記入射光の前記光分散素子への入射角を変化させ、前記異なる方向に分離された光のうちの一部を抽出することにより前記第１の光の光周波数を可変とし、
前記第２の光生成手段は、少なくとも１つの第２の光源からの光を用いて、互いに異なる光周波数を有する複数の前記第２の光を生成し、
前記複数の第２の光のそれぞれの光周波数に対して、前記第１の光の光周波数を変化させることでラマンスペクトルを計測することを特徴とする誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項２】
前記光分散素子は、回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項３】
前記第２の光生成手段は、１つの前記第２の光源からの光の光周波数帯域を広げる高非線形ファイバーと、該高非線形ファイバーからの光のうち互いに光周波数が異なる複数の光成分の高調波をそれぞれ発生させる複数の高調波発生素子とを有し、前記複数の高調波を用いて前記複数の第２の光を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項４】
前記複数の第２光間の光周波数の差をＷＰとするとき、
前記第１の光の光周波数の可変幅がＷＰ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１１３６２３（Ｐ２０１３−１１３６２３Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７８９４（Ｐ２０１１−２５７８９４）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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