(57)【要約】  光パルス列を出射する光パルス源（１０）と、光パルス列を増幅する光増幅手段（２０，４０）と、光パルス列のノイズフロアを除去する過飽和吸収素子（３０）とを備えたパルス光源装置。これによって、同期回路や能動的時間ゲートを使用しない比較的単純な構成により、ＳＮＲを向上できる小型で安定性が高い多光子イメージング装置用パルス光源装置を提供する。
2009119585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多光子励起過程を用いて対象物を観察する多光子イメージング装置に用いるパルス光源装置であって、
光パルス列を出射する光パルス源と、
前記光パルス列を増幅する光増幅手段と、
前記光パルス列のノイズフロアを除去する過飽和吸収素子と、
を備えることを特徴とするパルス光源装置。
【請求項２】
前記光増幅手段は、複数の光増幅器からなり、
前記過飽和吸収素子は、順次の前記光増幅器の間に配置したことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
【請求項３】
前記過飽和吸収素子は、前記光増幅手段の後段に配置したことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
【請求項４】
前記過飽和吸収素子は、前記光増幅手段の前段に配置したことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
【請求項５】
前記過飽和吸収素子の前段に、光パルスの時間幅を短くするパルス圧縮手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
【請求項６】
前記可飽和吸収素子は、半導体可飽和吸収素子、カーボンナノチューブまたは非線形光ループミラーからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のパルス光源装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００８年３月２４日に出願された日本国特許出願２００８−７６１９７号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、多光子励起過程を用いて対象物を観察する多光子イメージング装置に用いるパルス光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
超短パルス光源は、バイオ・医療・超微細加工を始め広範な分野での応用が期待されている。特にバイオ・医療応用では、現在超短パルス光源としてチタンサファイアレーザに代表される固体レーザによる光源が商用化されている。この固体レーザによる光源は、主として、多光子励起蛍光顕微鏡をはじめとする非線形顕微イメージング用光源として、研究用途で使用されている。【０００４】
しかしながら、チタンサファイアレーザに代表される固体レーザは、装置が大型となること、レーザ出力の安定性が低いこと、光学系をその都度調整する必要があり操作性が低いこと、および、価格が高価であること等の問題点を有している。このため、この固体レーザによる光源が使用されるのは、これまで、空調設備と大型の除震台が完備され専門のレーザオペレーターが常駐するような研究室に限られ、通常の環境にある病院やバイオ実験室で実用的な使用に供される段階には至っていない。【０００５】
実用的な多光子イメージング装置用超短パルス光源として、現在までに、半導体レーザを用いた光源の開発も進められてきた。例えば、非特許文献１には、利得スイッチ駆動される面発光レーザ (vertical cavity surface emitting laser:ＶＣＳＥＬ) 、光パルスのレッドシフトチャープを補償する単一モード光ファイバ、波形整形を行う光フィルタ、半導体光増幅器、および、ファイバ型光増幅器を備える多光子イメージング用超短パルス光源が開示されている。【０００６】
この多光子イメージング用パルス光源は、従来の固体レーザ等の光源とは異なり、外部共振器を必要としない半導体レーザで構成されるため、高い安定性および優れた操作性が得られるとともに、小型にできる。さらに従来の固体レーザ等の光源に必要であった、安定化機構などが不要となり、また、比較的低価格な部品で構成できるので、価格も安くすることができる。つまり、実用的な光源としての必要条件の多くを備えている。【０００７】
【非特許文献１】K. Taira et al., Optics Express, vol. 15, pp. 2454-2458 (2007).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図８（ａ）は、ＶＣＳＥＬを使用したパルス光源装置の概略構成と、光パルスの経路上のパルス波形を示す図である。図８（ａ）において、ＶＣＳＥＬ１００は、電気パルス発生装置１０１からの電気パルスにより利得スイッチ駆動される。端面発光型半導体レーザと比較すると、ＶＣＳＥＬ１００の光子寿命は短いため、パルス幅がピコ秒オーダの超短パルスを比較的容易に得ることができる。しかし、ＶＣＳＥＬ１００から得られる光強度は、端面発光型半導体レーザを利得スイッチ駆動した場合よりも一桁程度低い。このため、利得スイッチ駆動されたＶＣＳＥＬ１００より出力される光は、半導体光増幅器 (semiconductor optical amplifier:ＳＯＡ)１０２によって増幅される。このＳＯＡ１０２は、増幅器制御装置１０３で常時、すなわち直流駆動される。ここで、ＳＯＡ１０２への入力光強度が小さい。このため、この光強度の小さい入力光をＳＯＡ１０２で増幅すると、出力光の信号対雑音比 (signal-to-noise ratio：ＳＮＲ) が著しく劣化してしまう。【０００９】
図８（ａ）に示すように、ＳＯＡ１０２からのパルスレーザ光のＳＮＲが劣化すると、時間軸上において、光パルスと光パルスとの間にノイズフロアが生じる。光パルスのピークパワーと比較すると、このノイズフロアの瞬時光強度はかなり低いため、多光子イメージング用試料の多光子励起にはほとんど寄与しない。しかし、ノイズフロアが光パルスと光パルスとの間も試料に継続的に照射されることにより、試料中に不要な熱を発生し試料に熱損傷を与える原因となり得る。従って、このノイズフロアを除去して光パルスのＳＮＲを改善することは、多光子イメージング用光源にとって非常に重要な課題である。このＳＮＲの改善は、パルス光源と光増幅器とを組合せた光源装置を多光子イメージング装置に利用する際に特に重要になる。【００１０】
このため、前述の非特許文献１では、図８（ｂ）に示すように、利得スイッチ駆動される ＶＣＳＥＬ１００を用いるとともに、光パルスの光路上に能動的な時間ゲートを設けて、光パルスと光パルスの間に存在するノイズフロアを除去し、光源のＳＮＲを向上させるようにしている。【００１１】
すなわち、このパルス光源装置では、電気パルス発生装置１０１によるＶＣＳＥＬ１００のパルス駆動に同期して、増幅制御装置１０３によりＳＯＡ１０２をＯＮ／ＯＦＦ動作させ、これによりＳＯＡ１０２を増幅機能と同時に時間ゲートとしても機能させて、光パルスと光パルスとの間のノイズフロアを除去してＳＮＲを向上させるようにしている。【００１２】
この能動的な時間ゲートは、ＶＣＳＥＬ１００から出力される光パルスと常に同期している必要がある。しかしながら、本発明者らによる検討によると、電気回路からの熱などの影響により、光パルスと時間ゲートとの同期には、ずれが発生しやすいことが判明している。そのため、光源装置内の温度を安定化させる装置や、同期を固定するフィードバック回路が必要不可欠となり、装置の構成が複雑化し、装置全体のコストの上昇を招くことが懸念される。【００１３】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、能動的時間ゲートを使用しない比較的単純な構成により、ＳＮＲを向上できる小型で安定性が高い多光子イメージング装置用パルス光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する第１の観点に係るパルス光源装置に関する発明は、
多光子励起過程を用いて対象物を観察する多光子イメージング装置に用いるパルス光源装置であって、
光パルス列を出射する光パルス源と、
前記光パルス列を増幅する光増幅手段と、
前記光パルス列のノイズフロアを除去する過飽和吸収素子と、
を備えることを特徴とするものである。【００１５】
第２の観点に係る発明は、第１の観点に係るパルス光源装置において、
前記光増幅手段は、複数の光増幅器からなり、
前記過飽和吸収素子は、順次の前記光増幅器の間に配置したことを特徴とするものである。【００１６】
第３の観点に係る発明は、第１の観点に係るパルス光源装置において、
前記過飽和吸収素子は、前記光増幅手段の後段に配置したことを特徴とするものである。【００１７】
第４の観点に係る発明は、第１の観点に係るパルス光源装置において、
前記過飽和吸収素子は、前記光増幅手段の前段に配置したことを特徴とするものである。【００１８】
第５の観点に係る発明は、第１の観点に係るパルス光源装置において、前記過飽和吸収素子の前段に、光パルスの時間幅を短くするパルス圧縮手段を備えたことを特徴とするものである。【００１９】
第６の観点に係る発明は、第１〜５の観点のいずれか一つに係るパルス光源装置において、前記可飽和吸収素子は、半導体可飽和吸収素子、カーボンナノチューブまたは非線形光ループミラーからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光パルス源から出射された光パルス列に含まれるノイズフロアを過飽和吸収素子により除去するようにしたので、比較的単純な構成によりＳＮＲを向上した、多光子イメージング装置に用いるパルス光源装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の第１実施の形態に係る多光子イメージング用パルス光源装置を含む光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、過飽和吸収素子の入射光密度対吸収率特性の一例を示す図である。
【図３】図３は、図１に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施の形態に係る多光子イメージング装置用パルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、図４に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施の形態に係る多光子イメージング装置用パルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図７】図７は、図６に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。
【図８】図８は、従来技術のパルス光源装置とその出力パルス波形を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  光パルス源
１１  面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
１２  電気パルス発生装置
１３  単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
２０  第１の光増幅器
２１  Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
２２  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
３０  過飽和吸収素子
３１  共振型半導体過飽和吸収ミラー
３２  カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
４０  第２の光増幅器
４１  Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
４２  高出力Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器（ＹＤＦＡ）
５０  多光子イメージング装置
５１  多光子励起蛍光顕微鏡
５２  コリメートレンズ
５３  ＸＹガルバノミラー（ＸＹ−ＧＭ）
５４  瞳投影レンズ（ＰＬ）
５５  チューブレンズ（ＴＬ）
５６  ダイクロイックミラー（ＤＭ）
５７  光増倍管（ＰＭＴ）
５８  対物レンズ
５９  試料
６１  単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）
６２  コリメートレンズ
６３  全反射ミラー
６４  全反射ミラー
７０  パルス圧縮器
７１  負の群速度分散装置
７２ａ，７２ｂ  回折格子
７３  折り返しミラー
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。【００２４】
[第１実施の形態]
図１は、本発明の第１実施の形態に係るパルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。この図では、各構成要素間を伝達される光パルス列の波形（１）〜（４）を、併せて表示している。本実施の形態に係る多光子イメージングシステムは、パルス光源装置を構成する光パルス源１０、第１の光増幅器２０、過飽和吸収素子３０および第２の光増幅器４０と、多光子イメージング装置５０とを有している。本実施の形態では、第１の光増幅器２０および第２の光増幅器４０により光増幅手段を構成している。なお、上記の各構成要素の間は、単一モード光ファイバで接続されている。【００２５】
上記の構成において、光パルス源１０から、例えば、繰り返し周波数１０ＭＨｚ、パルス幅２０ｐｓ程度の光パルス（１）を出射させて、第１の光増幅器２０に入射させる。第１の光増幅器２０は、プリアンプとして動作し、光パルス源１０から出射された光パルス（１）を増幅する。この増幅された光パルス（２）は、自然放出光（amplified spontaneous emission:ＡＳＥ）雑音等により生じたノイズフロアを有するため、ＳＮＲは低くなる。【００２６】
次に、第１の光増幅器２０で増幅された光パルス（２）は、過飽和吸収素子３０に入射する。過飽和吸収素子３０は、例えば、半導体過飽和吸収素子（semiconductor saturable absorber mirror:ＳＥＳＡＭ）、カーボンナノチューブ（carbon nano-tube：ＣＮＴ）または、非線形光ループミラー（nonlinear optical loop mirror:ＮＯＬＭ）等により構成される。【００２７】
図２は、過飽和吸収素子３０の入射光密度対吸収率特性の一例を示す図である。過飽和吸収素子３０は、入射光強度が高くなると光吸収率が低下する。つまり、過飽和吸収素子３０の光透過率または反射率は、入射光強度に依存し、入射光強度が低い場合にはその透過率または反射率は低く、入射光強度が高い場合にはその透過率または反射率は高くなる。従って、過飽和吸収素子３０への入射光が光パルス列である場合、光パルスのピーク部分での透過率または反射率が最も高く、光パルスと光パルスとの間の光強度が弱い部分での透過率または反射率は低くなる。つまり、過飽和吸収素子３０は、光パルスと光パルスとの間に存在するノイズフロアを除去することができ、光パルスに対して受動的時間ゲートとして作用する。なお、過飽和吸収素子３０の入射光強度の変化に対する応答速度は速いほうが望ましいが、本実施の形態では、光パルスは時間軸上に非常に疎に配列されているため、光パルスの通過により吸収率が低下した状態から光パルス通過後に吸収率の高い状態に戻るまでの回復時間は、パルス時間幅よりも長くても良い。【００２８】
図１において、入射光パルス（２）は、上記のような吸収率特性を有する過飽和吸収素子３０を通過することによって、ノイズフロアが除去された光パルス（３）となる。この、過飽和吸収素子３０を出射した光パルス（３）は、高出力アンプである第２の光増幅器４０により光パルス（４）に示すように増幅され、多光子イメージング装置５０へ導入され、試料の観察に使用される。ここで、増幅器４０への入射光パルス（３）のノイズフロアが除去されているため、光増幅器４０で増幅された光パルス（４）も高いＳＮＲを有する。【００２９】
これによって、多光子イメージング装置５０では、試料中に不要な熱が発生し、試料が熱損傷を受けることを防止することができる。また、本構成では、プリアンプとしての第１の光増幅器２０の後段に、過飽和吸収素子３０を設けたので、さらにその後段の高出力アンプである第２の光増幅器４０においては、入射光のノイズが抑えられるので、ノイズ成分の増幅のために電力が消費されることを抑制でき、光パルスの増幅を効率良く行うことができる。【００３０】
図３は、図１に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。この多光子イメージングシステムでは、光パルス源１０として、波長９７８ｎｍで単一縦モード・単一横モード発振するＶＣＳＥＬ１１と、繰返し周波数１０ＭＨｚ、パルス幅約８００ｐｓの電流パルスを発生する電気パルス発生装置１２とを含む利得スイッチ面発光半導体レーザ（gain-switched vertical cavity surface emitting laser：ＧＳ−ＶＣＳＥＬ）を用いて、パルス幅約２０ｐｓのダウンチャープを有する光パルスを発生させる。【００３１】
ＶＣＳＥＬ１１からの出射光は、光パルスのダウンチャープを補償する約５００メートルの長さを有する石英系単一モード光ファイバ（single-mode fiber:ＳＭＦ）１３に導かれる。このＳＭＦ１３を通過することにより、光パルスの時間幅が約３ｐｓに圧縮される。【００３２】
ＳＭＦ１３からの出射光パルスは、第１の光増幅器２０を構成する、Ｙｂ添加ファイバ型光増幅器 (Yb-doped fiber amplifier:ＹＤＦＡ) ２１で平均光強度２ｍＷまで増幅される。さらに、このＹＤＦＡ２１を出射した光パルスは、透過帯域幅が約０．６０ｎｍの誘電多層膜からなるバンドパスフィルタ（band-pass filter:ＢＰＦ）２２によって、ＡＳＥおよびペデスタルを除去される。【００３３】
その後、ＢＰＦ２２からの出射光パルスは、過飽和吸収素子３０を構成するＳＥＳＡＭの両端に反射鏡が配置された共振型半導体過飽和吸収ミラー（resonant semiconductor saturable absorber mirror：Ｒ−ＳＥＳＡＭ）３1に入射し、図２に基づいて説明したように、光パルス列のノイズフロアが除去される。次に、Ｒ−ＳＥＳＡＭ３１からの出力光は、第２の光増幅器４０を構成する高出力のＹＤＦＡ４１に入射し、ここで、平均光強度５０ｍＷまで増幅される。さらに、ＹＤＦＡ２からの出力光は、長さ２メートルのＳＭＦ６１を介してレーザ走査型の多光子励起蛍光顕微鏡５１に導入される。【００３４】
多光子励起蛍光顕微鏡５１は、コリメートレンズ５２、ＸＹガルバノミラー（XY galvano scanner mirror：ＸＹ−ＧＭ）５３、瞳投影レンズ（pupil lens：ＰＬ）５４、チューブレンズ（tube lens：ＴＬ）５５、ダイクロイックミラー（dichroic mirror：ＤＭ）５６、光増倍管（photo-multiplier tube：ＰＭＴ）５７、対物レンズ５８、および、観察対象の試料５９により構成されている。【００３５】
多光子励起蛍光顕微鏡５１に入射した光パルスは、コリメートレンズ５２を透過し、ＸＹ−ＧＭ５３で反射され、ＰＬ５４、ＴＬ５５、ＤＭ５６、対物レンズ５８を経由して試料５９を照射する。ここで、ＸＹ−ＧＭ５３により入射光を走査させることによって、試料上で光パルスの照射位置を走査させる。この光パルスの照射によって、多光子過程により試料５９上で発生する蛍光が、対物レンズ５８を透過し、ＤＭ５６で入射光と分離され、ＰＭＴ５７において増幅され観察される。【００３６】
本構成により、波長９７８ｎｍ、ピーク強度1.5kＷ、パルス幅３ｐｓ、繰返し周波数１０ＭＨｚの光パルス列を発生する多光子イメージング装置用のパルス光源装置を実現することができる。この光源装置は、過飽和吸収素子を含んで構成されることによって、同期回路等の能動的時間ゲートを設けなくとも十分高いＳＮＲが得られる。したがって、小型で出力が安定し、高い操作性を有する低コストの多光子イメージング用パルス光源装置を実現できる。さらに、本構成では、プリアンプとしてのＹＤＦＡ２１の後に、Ｒ−ＳＥＳＡＭ３１を設けたので、この増幅器２１で発生するノイズフロアが除去され、その後段の高出力アンプであるＹＤＦＡ４１においては、入射光のノイズが抑えられ、光パルスを効率良く増幅できる。【００３７】
[第２実施の形態]
図４は、本発明の第２実施の形態に係るパルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。図１と同様に、各構成要素間を伝達される光パルス列の波形（１）〜（４）を、併せて表示している。図４は、図１に示した第１実施の形態において、過飽和吸収素子３０を、第２の光増幅器４０の前段ではなく後段に設けている。すなわち、本実施の形態では、過飽和吸収素子３０を光増幅手段４０の後段に設けている。【００３８】
本構成による多光子イメージングシステムにおいて、光パルス源１０から出射した光パルス（１）は、第１の光増幅器２０により光パルス（２）に示すように増幅される。この増幅された光パルス（２）は、ＳＮＲがＡＳＥ等により劣化しているが、ノイズの除去を行わずに、第２の増幅器４０でさらに増幅される。第２の増幅器から出力した光パルス（３）は、過飽和吸収素子３０に入射し、雑音が除去された光パルス（４）となり、多光子イメージング装置５０に導入される。【００３９】
これによって、第１実施の形態と同様に、多光子イメージング装置５０では、ノイズフロアの発生する熱により試料が熱損傷を受けることを防止することができる。さらに、第１の光増幅器２０および第２の光増幅器４０からなる光増幅手段の後段に過飽和吸収素子３０を設けて、この過飽和吸収素子３０からの出射光パルスを増幅することなく多光子イメージング装置５０に導入したので、第１実施の形態と比較して、多光子イメージング装置５０に入射する光パルスのＳＮＲをより高い状態にすることができる。【００４０】
図５は、図４に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。この多光子イメージングシステムは、図３に示した第１実施の形態の具体的構成から、Ｒ−ＳＥＳＡＭ３１を取り除き、ＹＤＦＡ４１の後段に過飽和吸収素子としてＣＮＴ３２を設けたものである。【００４１】
図５に示す構成により、ＶＣＳＥＬ１１を出射した光パルスは、ＹＤＦＡ４１の後段に配置されたＣＮＴ３２によってノイズフロアが除去される。ノイズフロアが除去された光パルスは、さらに増幅されること無く、すなわち、増幅によって発生するノイズ成分を伴うことなく、ＳＭＦ６１を経由して多光子励起蛍光顕微鏡５１に導かれる。このため、多光子励起蛍光顕微鏡５１で用いられる光パルスのＳＮＲがさらに改善され、ノイズによる試料の熱損傷をさらに低減することができる。【００４２】
[第３実施の形態]
図６は、本発明の第３実施の形態に係るパルス光源装置を有する多光子イメージングシステムの概略構成を示すブロック図である。図１及び図４と同様に、各構成要素間を伝達される光パルス列の波形（１）〜（５）を、併せて表示している。図６は、図４に示した第２実施の形態において、光増幅器４０と過飽和吸収素子３０の間に、パルス圧縮器７０設けている。すなわち、本実施の形態では、過飽和吸収素子３０を光パルス圧縮手段の後段に設けている。【００４３】
本構成による多光子イメージングシステムにおいて、光パルス源１０から出射した光パルス（１）は、第１の光増幅器２０により光パルス（２）に示すように増幅され、さらに第２の光増幅器４０により光パルス（３）に示すように増幅される。この増幅された光パルス（３）は、ＡＳＥ等によりＳＮＲが劣化しているが、ノイズの除去を行わずに、パルス圧縮器７０にて時間幅が圧縮される。パルス圧縮器７０から出力される光パルス（４）は、過飽和吸収素子３０に入射し、雑音が除去された光パルス（５）となり、多光子イメージング装置５０に導入される。【００４４】
これによって、第２実施の形態と同様に、多光子イメージング装置５０では、ノイズフロアの発生する熱により試料が熱損傷を受けることを防止することができる。さらに、パルス圧縮に伴うピークパワーの増大により、パルス圧縮器後段に配置された過飽和吸収素子において、より大きな過飽和吸収効果が得られる。そのため、第２実施の形態と比較して、多光子イメージング装置５０に入射する光パルスのＳＮＲをより高い状態にすることができる。【００４５】
図７は、図６に示した多光子イメージングシステムの具体的構成を示す図である。この多光子イメージングシステムは、図５に示した第２実施の形態の具体的構成に、次のような変更を加えたものである。すなわち、ＣＮＴ３２を取り除き、ＹＤＦＡ４１とＳＭＦ６１との間に高出力ＹＤＦＡ４２を配置する。また、ＳＭＦ６１とＬＳＭ５１との間に、コリメートレンズ６２、負の群速度分散補償装置７１、Ｒ−ＳＥＳＡＭ３１、および、コリメートレンズを出射した光パルスを負の群速度分散補償装置７１に入射させる全反射ミラー６３並びにこの負の群速度分散補償装置７１から出射した光パルスをＲ−ＳＥＳＡＭ３１に入射させる全反射ミラー６４を配置する。【００４６】
高出力ＹＤＦＡ４２は、数Ｗ級の出力を有し、この高出力ＹＤＦＡ４２を用いることで、光パルスの高強度化が実現されている。光パルスの高強度化が行われることで、高出力ＹＤＦＡ４２中もしくはＳＭＦ６１中にて自己位相変調（self phase modulation: ＳＰＭ）効果が生じる。このＳＰＭ効果と高出力ＹＤＦＡ４２を構成する光ファイバやＳＭＦ６１の持つ群速度分散効果との相互作用により、光パルススペクトルの広帯域化、光パルス時間幅広がり、及びチャープの蓄積が起こる。【００４７】
パルス圧縮器７０としては負の群速度分散補償装置７１を用いる。負の群速度分散補償装置７１は、２枚の反射型回折格子７２ａ、７２ｂと折り返しミラー７３から構成される。１枚目の反射型回折格子７２ａに入射した光パルスは回折され、その波長成分毎に異なる角度で出射し、２枚目の反射型回折格子７２ｂで平行光化される。しかし、このままでは光パルスの空間分布は入射時の円形状から楕円形状となっており、折り返しミラー７３で反射型回折格子の溝と平行な方向に入射高さと異なる高さで入射光と平行に折り返され、再び２枚の回折格子７２ａおよび７２ｂで回折され元の円形状となる。【００４８】
負の群速度分散補償装置７１は負の群速度分散手段であり、この負の群速度分散により先の光パルスのチャープが補償されると共に、光スペクトル幅が拡大しているので、ＳＭＦ６１から出力される数ピコ秒幅の光パルスを、数百フェムト秒の光パルスに圧縮できる。実際に、本願発明者らが実験により確認したところによれば、ＳＭＦ６１から出力される５ｐｓ〜３０ｐｓのパルス幅である光パルスが、２００ｆｓ〜３００ｆｓに圧縮された。なお、負の群速度分散手段には反射型回折格子の他に透過型回折格子、プリズムまたはグリズム等が使用可能である。【００４９】
また、図７ではＲ−ＳＥＳＡＭ３１を全反射ミラー６４と多光子励起蛍光顕微鏡５１との間に配置したが、Ｒ−ＳＥＳＡＭ３１は、多光子励起蛍光顕微鏡５１内部に配置するか、または、全反射ミラー６４を用いずに負の群速度分散補償装置７１からの光パルスが直接入射するように配置しても良い。また、負の群速度分散補償装置７１を多光子励起顕微鏡５１内部に配置しても良い。【００５０】
図７に示す構成により、ＶＣＳＥＬ１１を出射した光パルスは、負の群速度分散補償装置７１で時間幅は２００ｆｓ〜３００ｆｓに圧縮された非常にピークパワーが高いパルスとなり、負の群速度分散補償装置７１の後段に配置されたＲ−ＳＥＳＡＭ３１によってノイズフロアが除去される。光パルスのピークパワーが高い方が、より効率的にＲ−ＳＥＳＡＭにおける過飽和吸収効果を得ることができるため、図７に示した構成を用いることで、多光子励起蛍光顕微鏡５１で用いられる光パルスのＳＮＲがさらに改善され、ノイズによる試料の熱損傷をさらに低減することができる。【００５１】
なお、多光子イメージング装置用のパルス光源装置に過飽和吸収素子を利用することは、以下の点から、過飽和吸収素子の用途として非常に適している。【００５２】
すなわち、過飽和吸収素子を過飽和吸収動作させるためには、高い光強度が必要とされる。例えば、ＳＥＳＡＭを用いて十分な過飽和吸収動作を得るためには、１００μＪ／ｃｍ２以上の光強度が必要とされるとともに、ＳＥＳＡＭの雑音除去機能を十分生かすためには１０３〜１０４程度以上の入射光パルスのピーク強度／ノイズフロア強度が必要とされる。このような要件を満たす用途は限られており、従来過飽和吸収素子があまり利用されてこなかった理由となっている。【００５３】
これに対して、多光子イメージング装置用のパルス光源装置では、繰り返し周波数１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ、パルス幅０．１ｐｓ〜１０ｐｓ、パルスエネルギー１〜２０ｎＪ程度の光パルスが使用される。この光パルスのビーム径を１０μｍ程度に絞ると、光強度密度は数ｍＪ／ｃｍ２程度となる。また、光パルス幅／パルス間隔は、１０−５〜１０−６程度であり、光パルスは時間軸上に非常に疎に配置されている。このため、例えば、ＳＮＲが１、つまり時間平均した信号光強度と雑音強度とが等しい場合には、入射光パルスのピーク強度／ノイズフロア強度は１０５〜１０６となるので、ＳＥＳＡＭのノイズ除去性能を十分生かすことができる。例えば、本発明者らによる実験によれば、光パルスが10回反射するようにＳＥＳＡＭを光路中に配置することで、ＳＮＲが１７０倍改善されることが確認された。【００５４】
以上のことから、多光子イメージング装置用のパルス光源装置に過飽和吸収素子を利用することは非常に有効である。【００５５】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、過飽和吸収素子３０は、光パルス源１０の直後、すなわち、光増幅手段の前段に配置しても良い。また、光増幅手段は、１個の光増幅器で構成することもできるし、３個以上の光増幅器で構成することもできる。また、過飽和吸収素子は、１個に限らず、増幅器の前後等、任意の位置に配置することもできる。【００５６】
さらに、多光子イメージング装置は、多光子励起蛍光顕微鏡によるイメージング装置に限られず、第２次高調波発生（second-harmonic generation:ＳＨＧ）イメージング装置、第３次高調波発生（third-harmonic generation:ＴＨＧ）イメージング装置、または、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（coherent anti-Stokes Raman scattering：ＣＡＲＳ）イメージング装置であっても良い。また、本発明は、多光子励起過程を利用する顕微鏡装置に用いると効果的であるが、さらに、多光子励起過程を利用する内視鏡など他のイメージング装置にも適用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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