(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光パルスを第１の周期で生成する第１の生成手段と、
前記第１の光パルスとは異なる光周波数を有する第２の光パルスを、前記第１の周期よりも短い第２の周期で生成する第２の生成手段と、
前記第１および第２の光パルスを合成して試料に照射する光学系と、
前記第１および第２の光パルスの双方が前記試料に照射されることで生じる誘導ラマン散乱により強度変調された前記第２の光パルスを検出する検出手段と、を備え、
前記第２の生成手段は、光源から前記第２の周期で射出されるソース光パルスのそれぞれを２つの光パルスに分割する分割手段と、前記２つの光パルスのうち一方の光パルスを他方の光パルスに対して遅延させる遅延手段と、前記一方の光パルスと前記他方の光パルスとを合成して前記第２の光パルスを生成する合成手段と、を有し、
前記第１の周期をτＳとし、前記遅延手段が前記一方の光パルスを遅延させる遅延時間をＴとするとき、
τＳ／２−τＳ／６≦Ｔ≦τＳ／２＋τＳ／６
なる条件を満足することを特徴とする誘導ラマン散乱検出装置。
【請求項２】
前記遅延手段は、前記一方の光パルスが通る光路と前記他方の光パルスが通る光路とに対して光路長差を与える構成を有し、該光路長差をΔＬ、光速をｃ、とするとき、
｜ΔＬ−ｃτＳ／２｜≦ｃτＳ／６
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の誘導ラマン散乱検出装置。 
【請求項３】
前記第２の光パルスのパルス幅をｐとするとき、
｜Ｔ−（τＳ／２）｜≧２ｐ
なる条件を満足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検出装置。
【請求項４】
前記分割手段は、前記ソース光パルスを互いに偏光方向が異なる前記２つの光パルスに分割することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱検出装置。
【請求項５】
前記検出手段は、前記第２の光パルスを前記第１の周期で同期検波するロックインアンプを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱検出装置。
【請求項６】
第１の光パルスを第１の周期で生成し、前記第１の光パルスとは異なる光周波数を有する第２の光パルスを、前記第１の周期よりも短い第２の周期で生成し、前記第１および第２の光パルスを合成して試料に照射する照射工程と、
前記第１および第２の光パルスの双方が前記試料に照射されることで生じる誘導ラマン散乱により強度変調された前記第２の光パルスを検出する検出工程と、を有し、
前記照射工程は、光源から前記第２の周期で射出されるソース光パルスのそれぞれを２つの光パルスに分割する分割ステップと、前記２つの光パルスのうち一方の光パルスを他方の光パルスに対して遅延させる遅延ステップと、前記一方の光パルスと前記他方の光パルスとを合成して前記第２の光パルスを生成する合成ステップと、を含み、
前記第１の周期をτＳとし、前記遅延ステップにおいて前記一方の光パルスを遅延させる遅延時間をＴとするとき、
τＳ／２−τＳ／６≦Ｔ≦τＳ／２＋τＳ／６
なる条件を満足することを特徴とする誘導ラマン散乱検出方法。
【請求項７】
前記遅延ステップにおいて、前記一方の光パルスが通る光路と前記他方の光パルスが通る光路とに対して光路長差を与えており、該光路長差をΔＬ、光速をｃ、とするとき、
｜ΔＬ−ｃτＳ／２｜≦ｃτＳ／６
なる条件を満足することを特徴とする請求項６に記載の誘導ラマン散乱検出方法。 
【請求項８】
前記第２の光パルスのパルス幅をｐとするとき、
｜Ｔ−（τＳ／２）｜≧２ｐ
なる条件を満足することを特徴とする請求項６または７に記載の誘導ラマン散乱検出方法。
【請求項９】
前記分割ステップにおいて、前記ソース光パルスを互いに偏光方向が異なる前記２つの光パルスに分割することを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱検出方法。
【請求項１０】
前記検出ステップにおいて、前記第２の光パルスを前記第１の周期で同期検波することを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱検出方法。
【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検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン散乱原理を利用した検出装置の１つとしての誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering：ＳＲＳ）検出装置は、非特許文献１や非特許文献２にて提案されている。誘導ラマン散乱検出装置の原理は、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（レーザパルス）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、光パルスが誘導ラマン散乱によって強度変調される。試料から射出された誘導ラマン散乱により強度変調された光パルスからその強度変調分の光（検出光）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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、誘導ラマン散乱検出装置は、ショット雑音限界に近い極めて低雑音の光源を必要とする。このため、レーザー光源に対する制約があり、例えば、固体レーザーや光パラメトリック発振器を用いた大掛かりで頻繁なメンテナンスが求められる光源が必要となる。
【０００６】
一方、ファイバーレーザーのように安定かつ小型のレーザー光源は、光出力が小さいことに起因して、光出力における強度雑音成分が大きい。したがって、ＳＲＳ検出装置にこのような小型のレーザー光源を用いる場合には、該レーザー光源の強度雑音の影響による検出光のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）の低下が問題となる。
【０００７】
本発明は、試料に照射される光パルスに含まれる強度雑音成分を低減して、検出光のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させることができるＳＲＳ検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての誘導ラマン散乱検出装置は、第１の光パルスを第１の周期で生成する第１の生成手段と、第１の光パルスとは異なる光周波数を有する第２の光パルスを、第１の周期よりも短い第２の周期で生成する第２の生成手段と、第１および第２の光パルスを合成して試料に照射する光学系と、第１および第２の光パルスの双方が前記試料に照射されることで生じる誘導ラマン散乱により強度変調された第２の光パルスを検出する検出手段とを備え、第２の生成手段は、光源から第２の周期で射出されるソース光パルスのそれぞれを２つの光パルスに分割する分割手段と、該２つの光パルスのうち一方の光パルスを他方の光パルスに対して遅延させる遅延手段と、該一方の光パルスと該他方の光パルスとを合成して第２の光パルスを生成する合成手段と、を有する。そして、第１の周期をτＳとし、遅延手段が上記一方の光パルスを遅延させる遅延時間をＴとするとき、
τＳ／２−τＳ／６≦Ｔ≦τＳ／２＋τＳ／６
なる条件を満足することを特徴とする。
また、本発明の他の一側面としての誘導ラマン散乱検出方法は、第１の光パルスを第１の周期で生成し、第１の光パルスとは異なる光周波数を有する第２の光パルスを、第１の周期よりも短い第２の周期で生成し、第１および第２の光パルスを合成して試料に照射する照射工程と、第１および第２の光パルスの双方が試料に照射されることで生じる誘導ラマン散乱により強度変調された第２の光パルスを検出する検出工程と、を有し、照射工程は、光源から第２の周期で射出されるソース光パルスのそれぞれを２つの光パルスに分割する分割ステップと、該２つの光パルスのうち一方の光パルスを他方の光パルスに対して遅延させる遅延ステップと、該一方の光パルスと該他方の光パルスとを合成して第２の光パルスを生成する合成ステップと、を含む。そして、第１の周期をτＳとし、遅延ステップにおいて上記一方の光パルスを遅延させる遅延時間をＴとするとき、
τＳ／２−τＳ／６≦Ｔ≦τＳ／２＋τＳ／６
なる条件を満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、誘導ラマン散乱検出装置において、試料への照射前の第２の光パルスの列に含まれていた強度雑音成分を十分に低減することができ、これにより検出光のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１である誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）検出装置の構成を示すブロック図。
【図２】実施例１のＳＲＳ検出装置における遅延合波部の構成を示すブロック図。
【図３】図２に示した遅延合波部での光パルス列に対する操作を示す図。
【図４】実施例１の実験結果を示す図。
【図５】実施例１において、遅延時間Ｔの範囲についての説明図。
【図６】本発明の実施例２であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部の構成を示すブロック図。
【図７】本発明の実施例３であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部の構成を示すブロック図。
【図８】実施例３における遅延合波部により生成された光パルス列を示す図。
【図９】本発明の実施例４であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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】
【００１２】
図１には、本発明の実施例１である誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）検出装置の概略構成を示している。該ＳＲＳ検出装置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。
【００１３】
本実施例のＳＲＳ検出装置１００は、ストークス光となる第１の光パルス列を生成する第１の光パルス生成部１と、ポンプ光となる第２の光パルス列を生成する第２の光パルス生成部２とを有する。また、検出装置１００は、ミラー３、ハーフミラー４および第１の対物レンズ５により構成される照射光学系２１と、第２の対物レンズ７、色フィルタ８および集光レンズ９により構成される集光光学系２２とを有する。さらに、検出装置１００は、受光素子であるフォトダイオード１１および該フォトダイオード１１の出力信号を同期検波する電子回路であるロックインアンプ１２により構成される検出部１０を有する。
【００１４】
第１の対物レンズ５と第２の対物レンズ７との間には、測定対象である試料６が配置される。
【００１５】
第１の光パルス生成部１は、第１の光パルス列を構成する第１の光パルスを第１のパルス周期で繰り返し射出（発振）する第１の光源１ａによって構成されている。第１の光源１ａとしては、例えばファイバーレーザー光源が用いられる。第１の光パルス列は、例えば、第１の光周波数（中心周波数）としてωＳ（波長が１０００ｎｍ）を、第１のパルス幅として分子振動の高い識別能力を得るのに好適な１〜 １０ ｐｓ（ピコ秒）を、第１の繰り返し周波数として５５ＭＨｚ（第１のパルス周期として１８．２ｎｓ）を有する。図中における第１の光パルス生成部１の左側に、第１の光パルス列（Stokes Pulse）が生成される様子を示している。ｔは時間である。
【００１６】
第２の光パルス生成部２は、第２の光パルスを生成するためのソース光パルスを第２のパルス周期で繰り返し射出（発振）する第２の光源２ａを有する。また、第２の光パルス生成部２は、ソース光パルスの列（ソース光パルス列）から第２の光パルスの列（第２の光パルス列）を生成する遅延合波部３０を有する。第２の光源２ａとしては、第１の光源１ａと同様に、例えばファイバーレーザー光源が用いられる。第２の光パルス列は、例えば、第２の光周波数（中心周波数）としてωＰ（波長が７７０ｎｍ程度までの値）に調整され、第２のパルス幅として第１のパルス幅と略等しいパルス幅を、第２の繰り返し周波数として１１０ＭＨｚ（第２のパルス周期として９．１ｎｓ）を有する。第２の光パルス列の光周波数は、第１の光パルス列の光周波数との周波数差が試料６における被測定分子の分子振動周波数と一致するように調整される。図中における第２の光パルス生成部２の左側に、第２の光パルス列用のソース光パルス列（Pump Pulse (Source)）が生成される様子を示している。
【００１７】
遅延合波部３０は、第２の光源２ａからのソース光パルスのそれぞれに対して分割、遅延および合成の操作を行うことで、第２の光パルス列を構成する第２の光パルスを第２のパルス周期で生成する。遅延合波部３０の具体的な構成については後述する。
【００１８】
本実施例では、第１の光パルス生成部１で生成される第１の光パルス列の繰り返し周波数（第１の繰り返し周波数）を、第２の光パルス生成部２で生成される第２の光パルス列の繰り返し周波数（第２の繰り返し周波数）の二分の一としている。言い換えれば、第２の光パルス列のパルス周期（第２のパルス周期）を、第１の光パルス列のパルス周期（第１のパルス周期）の二分の一としている。以下、本実施例では、第１の光パルス列の繰り返し周波数をνＳとし、第２の光パルス列の繰り返し周波数を２νＳとする。また、第１の光パルス列のパルス周期をτＳとし、第２の光パルス列のパルス周期をτＳ／２とする。
【００１９】
このように繰り返し周波数（およびパルス周期）を設定することで、第１の光パルスは、第２の光パルスの２つに対して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の光パルス列の繰り返し周波数を第２の光パルス列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６の分子振動イメージを取得することができる。
【００２０】
なお、本実施例では、第１および第２の光源１ａ，２ａとして、ファイバーレーザー光源を用いているが、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。
【００２１】
また、本実施例では、第１の光パルス生成部１と第２の光パルス生成部２とに別々の光源１ａ，２ａを用い、これらの光源１ａ，２ａの同期を取るために、両者を電気的に接続している。しかし、２つの光パルス生成部のうち一方の光源としてレーザー光源を用い、他方の光源として、該一方の光源からのレーザー光から別の繰り返し周波数を有するレーザー光を生成するパラメトリック発振器等を用いることもできる。
【００２２】
また、本実施例では、第１および第２の光パルス列のうち繰り返し周波数が低い第１の光パルス列をストークス光として用い、繰り返し周波数が高い第２の光パルス列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の光パルス列をポンプ光として用い、繰り返し周波数か高い第２の光パルス列をストークス光として用いてもよい。すなわち、第１の光周波数ωＳと第２の光周波数ωＰとを入れ替えて設定してもよい。
【００２３】
第２の光パルス生成部２で生成された繰り返し周波数２νＳの第２の光パルス列は、照射光学系２１のミラー３で向きを変えられ、ハーフミラー４に入射する。そして、第２の光パルス列は、ハーフミラー４にて、第１の光パルス生成部１で生成された繰り返し周波数νＳの第１の光パルス列と同軸に合波（合成）される。合波された光パルス列は、照射光学系２１の第１の対物レンズ５によって、試料６に集光照射される。なお、本実施例では第１の対物レンズ５として、倍率×４０、開口数（ＮＡ）０．６のものを用いている。
【００２４】
試料６に照射される光パルス列においては、前述したように第１および第２の光パルス列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の光パルスの両方と、第２の光パルスのみとが交互に現れる。そして、第１の光周波数と第２の光周波数との周波数差（ωＰ−ωＳ）が試料６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の光パルスの双方が試料６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の光パルス列に周波数νＳの強度変調を生じさせる。
【００２５】
試料６から射出された、第１の光パルスと誘導ラマン散乱によって強度変調された第２の光パルスとは、集光光学系２２の第２の対物レンズ７で集光される。第２の対物レンズ７としては、本実施例では、第１の対物レンズ５と同様に、倍率×４０、開口数（ＮＡ）０．６のものを用いている。第２の対物レンズ７で集光された第１の光パルスと第２に光パルスとは、集光光学系２２の色フィルタ８に入射し、ここで第２の光パルスのみが透過されて集光光学系２２の集光レンズ９によって集光される。
【００２６】
集光レンズ９で集光された第２の光パルス列は、フォトダイオード１１で光電変換され、電気信号として出力される。フォトダイオード１１からの出力信号は、ロックインアンプ１２によって、第１の光パルス生成部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（すなわち、第１のパルス周期τＳで）同期検波される。これにより、誘導ラマン散乱によって発生した光（第２の光パルス列の強度変調成分）のみが検出光として検出される。このような検出方法を用いて試料６をスキャンすることで、該試料６における被測定分子の分子振動イメージを取得することができる。
【００２７】
このように構成されるＳＲＳ検出装置１００において、第２の光源２ａであるファイバーレーザー光源から射出される光パルス列には、図１中に拡大して示すように、レーザー光源の強度雑音による強度の変動が生じている。このような強度雑音の成分を含む第２の光パルス列をそのまま試料６に照射すると、ロックインアンプ１２により検出される光（検出光）のＳ／Ｎ比が低下する原因となる。言い換えれば、検出光のＳ／Ｎ比を向上させるためには、試料６に照射される第２の光パルス列から、第２の光源２ａに起因する強度雑音の成分をできるだけ除去した方が良い。このため、本実施例では、第２の光パルス生成部２に遅延合波部３０を設けている。
【００２８】
図２には、本実施例における遅延合波部３０の具体的な構成を示している。また、図３の（ａ）〜（ｄ）には、第２の光源２ａから射出されたソース光パルスおよび該ソース光パルスが遅延合波部３０にて受ける操作を示している。
【００２９】
図２において、第２の光源２ａから射出されたソース光パルスＬ０は、遅延合波部３０に設けられた第１のハーフミラー（分割手段）ＨＭ１に入射し、これを透過する光パルス成分Ｌ１と、これによって反射される光パルス成分Ｌ２とに分割される。これら２つの光パルス成分Ｌ１，Ｌ２のうち一方の光パルス成分Ｌ２は、ミラーＭ１，Ｍ２を含む遅延光路（遅延手段）に進み、他方の光パルス成分Ｌ１はそのまま第２のハーフミラー（合成手段）ＨＭ２に進む。
【００３０】
図３の（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、第２の光源２ａから第２のパルス周期で繰り返し射出されるソース光パルスＬ０と、第１のハーフミラーＨＭ１を透過した光パルス成分Ｌ１を示している。ソース光パルスＬ０には、図１にも示した強度雑音の成分（強度変動）が含まれている。前述した第１のパルス周期τＳは、ストークス光である第１の光パルス列のパルス間隔に相当し、ソース光パルスＬ０はその二分の一であるτＳ／２のパルス間隔（第２のパルス周期）で第２の光源２ａから射出される。
【００３１】
なお、図３の（ａ），（ｂ）には、繰り返し射出されるソース光パルスＬ０とこれから分割された光パルス成分Ｌ１とを時間ｔの流れに沿って黒と白（白枠）で交互に示している。
【００３２】
光パルス成分Ｌ２が通る遅延光路は、第１のハーフミラーＨＭ１からミラーＭ１，Ｍ２を経て第２のハーフミラーＨＭ２に至るまでの光路である。この遅延光路の光路長は、光パルス成分Ｌ１が通る第１のハーフミラーＨＭ１から第２のハーフミラーＨＭ２までの光路に対して光路長差ΔＬを有する。この光路長差ΔＬは、光パルス成分Ｌ２が光パルス成分Ｌ１に対して以下の式（１）で示される範囲内の遅延時間Ｔだけ遅延するように設定される。すなわち、遅延時間Ｔは、式（１）の条件を満足するように設定される。
【００３３】
τＳ／２−τＳ／６≦Ｔ≦τＳ／２＋τＳ／６    （１）
また、式（１）から、光路長差ΔＬは、第１のパルス周期τＳおよび光速ｃと以下の式（２）で示される関係を有するように設定されることになる。つまり、光路長差ΔＬは、式（２）の条件を満足するように設定される。
【００３４】
｜ΔＬ−ｃτＳ／２｜≦ｃτＳ／６    （２）
式（１）は、Ｔ＝τＳ／２である場合を含む。±τＳ／６の意義については後述する。図３の（ｃ）には、光パルス成分Ｌ２が光パルス成分Ｌ１に対してＴ＝τＳ／２だけ遅延した様子を示している。図３の（ｂ）において白で示した光パルス成分Ｌ１と同時に、それよりも１つ前に射出されたソース光パルスＬ０から分割された黒で示す光パルス成分Ｌ２が現れる。同様に、図３の（ｂ）において黒で示した光パルス成分Ｌ１と同時に、それよりも１つ前に射出されたソース光パルスＬ０から分割された白で示す光パルス成分Ｌ２が現れる。
【００３５】
なお、遅延時間ＴがτＳ／２に対して±τＳ／６までのずれを持つ場合はその分だけ「同時」からずれて光パルス成分Ｌ１，Ｌ２が現れる。このことは、以下の説明でも同様である。
【００３６】
こうして遅延されて第２のハーフミラーＨＭ２に入射した光パルス成分Ｌ２は、同時に第２のハーフミラーＨＭ２に入射した光パルス成分Ｌ１と合成される。言い換えれば、遅延合波部３０は、あるソース光パルスＬ０から分割して遅延させた一方の光パルス成分Ｌ２を、そのソース光パルスＬ０よりも後に第２の光源２ａから射出された別のソース光パルスＬ０における他方の光パルス成分Ｌ１と合成する。これにより、ソース光パルスＬ０から分割されたままの光パルス成分Ｌ１の強度と、１つ前のソース光パルスＬ０から分割されて時間Ｔだけ遅延された光パルス成分Ｌ２の強度との加算値に相当する強度（以下、合成強度という）を有する第２の光パルスＬ１２が生成される。このようにして生成された第２の光パルスＬ１２は、遅延合波部３０から図１に示したミラー３に向かう。
【００３７】
ソース光パルスＬ０に含まれる前述した強度雑音のうちロックインアンプ１２でのＳ／Ｎ比に影響するのは、誘導ラマン散乱の発生周期である第１および第２の光パルスがともに試料６に照射される周期である第１のパルス周期τＳで発生する強度雑音である。例えば、この強度雑音の振幅が一定である場合、その半周期に相当する第２のパルス周期τＳ／２ごとに生成されるソース光パルスＬ０の強度には、図３の（ａ）に示すように、一定量の増加と減少とが交互に現れる。
【００３８】
このため、図３の（ｂ），（ｃ）に示すように、光パルス成分Ｌ１の強度の高低とこれに合成される（１つ前のソース光パルスＬ０から分割された）光パルス成分Ｌ２の強度の高低は互いに逆の関係になり、この関係は第２のパルス周期τＳ／２ごとに反転する。したがって、それらを合成して生成した第２の光パルスＬ１２の合成強度は、図３の（ｄ）に示すように、第２のパルス周期τＳ／２ごとに（したがって第１のパルス周期τＳごとに）ほとんど変化せず、この結果、第２の光パルス列の合成強度は常にほぼ一定となる。
【００３９】
このようにして、遅延合波部３０は、ロックインアンプ１２でのＳ／Ｎ比に影響する強度雑音成分をほとんど含まない第２の光パルス列を生成することができる。なお、本実施例においては、第２のパルス周期を第１のパルス周期τＳの二分の一としているが、本発明はこれに限らず、第２のパルス周期を第１のパルス周期τＳよりも短い周期にすればよい。すなわち、第１の光パルス列と、遅延合波部３０で生成された第２の光パルス列とが合波するタイミングを合わせて、誘導ラマン散乱により強度変調された第２の光パルスを検出することができればよい。
【００４０】
図４には、本実施例に基づく実際の実験例の結果を示している。この実験例において、第２のパルス列の繰り返し周波数は１０９ＭＨｚであり、パルス幅１６０ｆｓ（フェムト秒）、強度は4 ｍＷである。グラフＡは、遅延合波部３０を通る前のソース光パルス列に含まれる強度雑音を示している。グラフＢは、遅延合波部３０を通して生成した第２の光パルス列に含まれる強度雑音を示している。グラフＢに示すように、遅延合波部３０を通して第２の光パルス列を生成することで、第１の光パルス列の繰り返し周波数に相当する５５ＭＨｚにおいて、ソース光パルス列と比較して２１ｄＢの強度雑音成分の低減を確認できた。
【００４１】
次に、式（１）に示した遅延時間Ｔの範囲の意義について図５を用いて説明する。第２の光源２ａからのソース光パルス列の強度を時間の関数であるＩ０(ｔ)で表す。また、ソース光パルスから分割された２つの光パルス成分のそれぞれの強度をＩ１(ｔ)とＩ２(ｔ)で表す。さらに、合成された第２の光パルス列（ポンプ光）の強度をＩ１２(ｔ)で表す。
Ｉ２がＩ１より時間Ｔだけ遅延しているとすると、
Ｉ１(ｔ)＝Ｉ０(ｔ)／２
Ｉ２(ｔ)＝Ｉ０(ｔ−Ｔ)／２
Ｉ１２(ｔ)＝Ｉ１(ｔ)＋Ｉ２(ｔ)
＝(Ｉ０(ｔ)＋Ｉ０(ｔ−Ｔ))／２
と表される。これらをフーリエ変換したものが、以下に示すソース光パルス列、２つの光パルス成分および第２の光パルス列の強度変化の周波数スペクトルｆ０(ν)，ｆ１(ν)，ｆ２(ν)，ｆ１２(ν)である。ＦＴはフーリエ変換を、νは周波数をそれぞれ示す。
ｆ０(ν)＝ＦＴ(Ｉ０(ｔ))
ｆ１(ν)＝ＦＴ(Ｉ１(ｔ))
＝ＦＴ(Ｉ０(ｔ)／２)
＝ｆ０(ν)／２
ｆ２(ν)＝ＦＴ(Ｉ２(ｔ))
＝ＦＴ(Ｉ０(ｔ−Ｔ)／２)
＝ｆ０(ν)・ｅｘｐ(−２πｉＴν)／２
ｆ１２(ν)＝ＦＴ(Ｉ１２(ｔ))
＝ＦＴ(Ｉ１(ｔ))＋Ｉ２(ｔ))
＝ｆ０(ν)・(１＋ｅｘｐ(−２πｉＴν))／２
＝ｅｘｐ(−πｉＴν)・ｆ０(ν)・(ｅｘｐ(πｉＴν)＋ｅｘｐ(−πｉＴν))／２
＝ｅｘｐ(−πｉＴν)・ｆ０(ν)・ｃｏｓ(πＴν)
第２の光パルスの強度Ｉ１２とソース光パルスの強度Ｉ０の周波数スペクトルの絶対値の比は、図５に示すように、
｜ｆ１２(ν)｜／｜ｆ０(ν)｜＝｜cos(πＴν)｜
となる。
【００４２】
つまり、遅延時間ＴをＴ＝１／（２ν）にすれば、｜ｆ１２(ν)｜／｜ｆ０(ν)｜は零となり、第２の光パルスＩ１２(ｔ)は周波数νの成分を含まない。
【００４３】
したがって、第１の光パルス列（ストークス光）のパルス間隔をτＳとすると、その繰り返し周波数（第１の繰り返し周波数）νＳは、
νＳ＝１／τＳ
である。このため、
Ｔ＝１／（２νＳ）
＝τＳ／２
とすることで、第２の光パルス列から周波数νＳの成分を除去することができる。
【００４４】
また、遅延時間ＴがτＳ／２に一致していなくても、
τＳ／２−τＳ／６≦Ｔ≦τＳ／２＋τＳ／６  （１）
であれば、
｜cos(πＴνＳ)｜≦１／２
となる。つまり、第２の光パルスの強度Ｉ１２(ｔ)に含まれる周波数νＳの成分をソース光パルスの半分以下にすることができる。
【００４５】
以上説明したように、遅延合波部３０での遅延時間ＴがτＳ／２であっても、これに対して±τＳ／６までの範囲でずれた（又は後述の実施例３のように意図的にずらした）としても、十分に光源の強度雑音成分が低減された第２の光パルス列を生成することができる。そして、このような第２の光パルス列を試料６に照射することで、ロックインアンプ１２でのＳ／Ｎ比を向上させ、良好な分子振動イメージを取得することができる。
【実施例２】
【００４６】
図６には、本発明の実施例２であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部３０の具体的構成を示している。
【００４７】
第２の光源２ａから射出されたソース光パルスＬ０は、遅延合波部３０に設けられた第１のミラーＭ１にて反射された後、１／２波長板ＷＰを通過して偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳは、入射したソース光パルスＬ０のうちＳ偏光パルス成分（一方の光パルス成分）Ｌ２を反射し、Ｐ偏光パルス成分（他方の光パルス成分）Ｌ１を透過させる。これにより、ソース光パルスＬ０が２つの光パルス成分であるＰ偏光パルス成分Ｌ１とＳ偏光パルス成分Ｌ２に分割される。１／２波長板ＷＰの光学軸の方位を調整することによって、Ｐ偏光パルス成分Ｌ１とＳ偏光パルス成分Ｌ２の強度を等しくすることができる。
【００４８】
偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射されたＳ偏光パルス成分Ｌ２は、プリズムＰ２を含む遅延光路（遅延手段）に進む。一方、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過したＰ偏光パルス成分Ｌ１はプリズムＰ1 を含む反射光路を介して再び偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳは、分割手段であるとともに合成手段としても機能する。
【００４９】
Ｓ偏光パルス成分Ｌ２が通る遅延光路は、偏光ビームスプリッタＰＢＳからプリズムＰ２を経て再び偏光ビームスプリッタＰＢＳに戻るまでの光路である。この遅延光路の光路長は、Ｐ偏光パルス成分Ｌ１が通る偏光ビームスプリッタＰＢＳからプリズムＰ１を経て再び偏光ビームスプリッタＰＢＳに戻るまでの反射光路に対して光路長差ΔＬを有する。この光路長差ΔＬは、Ｓ偏光パルス成分Ｌ２がＰ偏光パルス成分Ｌ１に対して実施例１で説明した式（１）で示される範囲内の遅延時間Ｔだけ遅延するように設定される。遅延時間ＴはτＳ／２であってもよいし、これに対して±τＳ／６までの範囲でずれた時間であってもよい。また、光路長差ΔＬは、プリズムＰ１，Ｐ２の位置を調整することで第１のパルス周期τＳと光速ｃとの間で式（２）の関係を有するように設定される。
【００５０】
反射光路から偏光ビームスプリッタＰＢＳに戻ったＰ偏光パルス成分Ｌ１はこれを透過し、遅延光路から偏光ビームスプリッタＰＢＳに戻ったＳ偏光パルス成分Ｌ２はここで反射される。これにより、ソース光パルスＬ０から分割されたＰ偏光パルス成分Ｌ１の強度と、１つ前のソース光パルスＬ０から分割されて時間Ｔだけ遅延されたＳ偏光パルス成分Ｌ２の強度との加算値に相当する合成強度を有する第２の光パルスＬ１２が生成される。このようにして生成された第２の光パルスＬ１２は、遅延合波部３０から図１に示したミラー３に向かう。
【００５１】
ソース光パルスＬ０の分割、Ｓ偏光パルス成分Ｌ２の遅延および両偏光パルス成分Ｌ１，Ｌ２の合成の様子と、合成後の第２の光パルス列の合成強度がほぼ一定となる点は、実施例１にて図３を用いて説明したものと同様である。
【００５２】
そして、本実施例でも、ソース光パルスに対して十分に強度雑音成分が低減された第２の光パルス列を生成でき、ロックインアンプ１２でのＳ／Ｎ比を向上させ、良好な分子振動イメージを取得することができる。
【００５３】
本実施例では、ソース光パルスを偏光方向が互いに異なる（直交する）２つの光パルス成分に分割してこれらを合成する。このため、例えば遅延時間ＴをτＳ／２として２つの光パルス成分を合成しても、これらが互いに干渉することはなく、干渉によるノイズを発生させることなく、第２の光パルス列を生成することができる。
【実施例３】
【００５４】
図７には、本発明の実施例３であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部３０の具体的構成を示している。本実施例は、実施例１の変形例であり、遅延合波部３０の構成要素は実施例１と同じである。
【００５５】
実施例２において、遅延時間ＴをτＳ／２としたときの合成される２つの光パルス成分間の干渉の可能性について触れたが、本実施例では、実施例２のように偏光を用いることなくその可能性を回避するための方法について説明する。具体的には、遅延時間Ｔを、実施例１に示した式（１）の範囲内であり、かつ以下の式（３）に示す範囲に含まれるように設定する。ｐは第２の光パルスのパルス幅である。
｜Ｔ−（τＳ／２）｜≧２ｐ       （３）
すなわち、式（３）より、光パルス成分Ｌ１が通る光路に対する光パルス成分Ｌ２が通る遅延光路の光路長差ΔＬは、実施例１に示した式（２）に加え、τＳ，ｃおよびｐと以下の式（４）の関係も有するように設定されることになる。
｜ΔＬ−ｃτＳ／２｜≧２ｃｐ    （４）
式（３）の範囲で遅延時間Ｔを設定し、または式（４）の範囲で光路長差ΔＬを設定することで、図８に示すように、合成される光パルス成分Ｌ１と光パルス成分Ｌ２とが直接重ならない。このため、これらの合成による干渉が発生せず、干渉によるノイズの発生も回避できる。なお、ロックインアンプ１２においては、光パルス成分Ｌ１と光パルス成分Ｌ２とが重ならなくてもそれらの合成強度を検出するので、ロックインアンプ１２での検出感度に影響はない。なぜならば、好適な第２の光パルスのパルス幅ｐは数１〜１０ ｐｓ（ピコ秒）であり、遅延時間Ｔに対して十分小さい値であるからである。
【実施例４】
【００５６】
図９には、本発明の実施例４であるＳＲＳ検出装置における遅延合波部３０の具体的構成を示している。本実施例は、実施例１の変形例であるが、実施例３とは異なり、合成される２つの光パルス成分間の干渉によるノイズの発生を抑制する。
【００５７】
本実施例によれば、遅延合波部３０にて遅延時間Ｔ＝τＳ／２が設定されて、合成される２つの光パルス成分が干渉しても、ノイズの発生は抑制することができる。
【００５８】
第２の光源２ａから射出されたソース光パルスＬ０は、遅延合波部３０に設けられた第１のハーフミラーＨＭ１にて２つの光パルス成分Ｌ１，Ｌ２に分割される。一方の光パルス成分Ｌ２は、ミラーＭ１，Ｍ２を含む遅延光路に進み、他方の光パルス成分Ｌ１はそのまま第２のハーフミラーＨＭ２に進む。
【００５９】
ミラーＭ１，Ｍ２はピエゾ素子ＰＺＴの電歪効果により、光パルス成分Ｌ１の光路に対する遅延光路の光路長差ΔＬが変化する方向に微小移動することができるように構成されている。ピエゾ素子ＰＺＴは、その共振周波数（例えば、１０ｋＨｚ程度の周波数）で駆動される。
【００６０】
遅延光路を介した光パルス成分Ｌ２は、第２のハーフミラーＨＭ２において光パルス成分Ｌ１と合成される。
【００６１】
本実施例では、２つの光パルス成分Ｌ１，Ｌ２を合成する第２のハーフミラーＨＭ２を一方の出力ポート（Port２）とする干渉計を備えている。出力ポート（Port２）からの出力光をアバランシェホトダイオードＡＰＤで受光し、該アバランシェホトダイオードＡＰＤにおける光電流を位相検波することで、遅延光路の光路長の最適点からのずれを求める。そして、該ずれをピエゾ素子ＰＺＴにフィードバックして、遅延光路の光路長、つまりは光路長差ΔＬを、２つの光パルス成分Ｌ１，Ｌ２が常に同じ位相差で重なるように（出力ポート（Port２）の出力が最小となるように）、常時、微小な光路長変調を与える。
【００６２】
第２のハーフミラーＨＭ２によって２つの光パルス成分Ｌ１，Ｌ２が合成されることで生成された第２の光パルスＬ１２は、干渉計の他方の出力ポート（Port１）から図１に示したミラー３に向かう。
【００６３】
このように、本実施例では、２つの光パルス成分Ｌ１，Ｌ２が常に同じ位相差を持って重なるので、これらが干渉してもノイズは発生しない。したがって、干渉によるノイズを発生させることなく、第２の光パルス列を生成することができる。
【００６４】
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】
【００６５】
良好なＳ／Ｎ比を有し、顕微鏡や内視鏡等に応用が可能な誘導ラマン散乱検出装置を提供できる。
【符号の説明】
【００６６】
１  第１の光パルス生成部
１ａ  第１の光源
２  第２の光パルス生成部
２ａ  第２の光源
６  試料
１０  検出部
１１  ロックインアンプ
２１  照射光学系
２２  集光光学系
３０  遅延合波部
１００  ＳＲＳ検出装置
【図３】
0005623652.tif 000002
【図８】
0005623652.tif 000003
【図１】
0005623652.tif 000004
【図２】
0005623652.tif 000005
【図４】
0005623652.tif 000006
【図５】
0005623652.tif 000007
【図６】
0005623652.tif 000008
【図７】
0005623652.tif 000009
【図９】
0005623652.tif 000010