(57)【要約】【課題】  試料に蛍光マーカを導入する必要がなく、高い分解能を有するテラヘルツ波を用いた顕微鏡を提供する。【解決手段】  顕微鏡装置１１は、超短パルスレーザＰ３を生成する超短パルスレーザ生成部１２とテラヘルツ波Ｔ１を生成するテラヘルツ波生成部１４と、を備える。顕微鏡部１５は、テラヘルツ波Ｔ１と超短パルスレーザＰ３とを合波して試料１５１に照射し、試料１５１で、パラメトリック過程により生成された、超短パルスレーザＰ３の周波数ω１とテラヘルツ波Ｔ１の周波数ω２との和周波数又は差周波ω3＝ω1±ω２の成分の信号Ｓを検出し、検出した信号Ｓを画像表示・記録装置１６にイメージ化する。【選択図】  図１
2011033700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザを生成するパルスレーザ生成手段と、
テラヘルツ波を生成するテラヘルツ波生成手段と、
前記テラヘルツ波生成手段で生成されたテラヘルツ波と前記パルスレーザ生成手段で生成されたパルスレーザとを合波して試料に照射する照射手段と、
試料で、前記テラヘルツ波と前記パルスレーザとにより生成された、前記テラヘルツ波の周波数と前記パルスレーザの周波数の和周波数又は差周波の成分の信号を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする顕微鏡。
【請求項２】
テラヘルツ波とパルスレーザとを試料に照射して、
_  試料で、パラメトリック過程で生成された、前記テラヘルツ波の周波数と前記パルスレーザの周波数の和周波数又は差周波の成分の信号を検出する、
ことを特徴とする試料観察方法。
_
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料にテラヘルツ波とパルスレーザを照射し、試料で反射したテラヘルツ波とパルスレーザの和周波数或いは差周波数の信号を検出する顕微鏡及び試料観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体組織の深部の観察等を目的とした顕微鏡として、特許文献１に開示されている多光子励起蛍光顕微鏡が知られている。特許文献１に開示されている多光子励起蛍光顕微鏡は、試料にコヒーレント光パルスを結像することにより、複数の光子が組み合わさって試料の蛍光成分内に蛍光を誘起し、この蛍光を検出する構成を有する。
【０００３】
また、特許文献２には、一台の顕微鏡で目的に応じて、多光子励起光観察、第二次高調波観察、コヒーレントラマン観測を並行又は独立して行うことができる顕微鏡が開示されている。
【０００４】
さらに、特許文献３には、試料にテラヘルツ波を照射して、試料を観察する際に、テラヘルツ波の解像度の低さを補うために、入射テラヘルツ波の角度を変えながら画像データを取得し、その後、画像再構成を数学的に行う事で分解能を高める観察方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２８４８９５２号公報
【特許文献２】特開２００６−２３３８７号公報
【特許文献３】特開２００６−１７４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２に開示された多光子顕微鏡では、生体に蛍光マーカを導入しなければならず、少なからず生体への影響がある。
【０００７】
また、特許文献２に開示されているコヒーレントラマン観測の場合、非計測順位に共鳴するレーザを使用しなければならないため、レーザの波長により計測できる準位が定まってしまう。
【０００８】
さらに、特許文献３に開示された観察方法では、試料に対するテラヘルツ波の照射角を調整しながら撮像し、画像処理を施すことにより、開口度を仮想的に大きくとることを可能としたものである。しかし、テラヘルツ波顕微鏡としての計測分可能自体に変化はなく、計測は数百ミクロンに制限されている。
【０００９】
そこで、本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、試料に蛍光マーカを導入することなく、試料の計測が可能な多光子顕微鏡と観察方法を提供することを目的とする。また、本発明は、高い分解能を有するテラヘルツ波を用いた顕微鏡及び観察方法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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の顕微鏡は、パルスレーザを生成するパルスレーザ生成手段と、テラヘルツ波を生成するテラヘルツ波生成手段と、前記テラヘルツ波生成手段で生成されたテラヘルツ波と前記パルスレーザ生成手段で生成されたパルスレーザとを合波して試料に照射する照射手段と、試料で、前記テラヘルツ波と前記パルスレーザとにより生成された、前記テラヘルツ波の周波数と前記パルスレーザの周波数の和周波数又は差周波の成分の信号を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この場合、前記パルスレーザ生成手段で生成されたパルスレーザを複数に分割する分割手段を更に配置し、前記テラヘルツ波生成手段は、前記分割手段で生成された複数のパルスレーザからテラヘルツ波を生成する、ように構成してもよい。
【００１２】
また、上記目的を達成するため、本発明の試料観察方法は、テラヘルツ波とパルスレーザとを試料に照射して、試料で、パラメトリック過程で生成された、前記テラヘルツ波の周波数と前記パルスレーザの周波数の和周波数又は差周波の成分の信号を検出する、ことを特徴とする。このテラヘルツ波発生方法では、パラメトリックアンプ過程を利用して高強度化されていると考えられる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、試料で発生するパラメトリック蛍光は、テラヘルツ波の試料での吸収を反映した強度やスペクトルを有するようになる。従って、このパラメトリック蛍光を利用すれば、蛍光マーカを用いずとも生体分子などの計測・測定が可能となる。
【００１４】
また、分解能がパルスレーザの空間分解能に依存するため、通常のテラヘルツ波イメージングと比較して、高い分解能を得ることができる。
【００１５】
また、レーザの波長を掃引する必要がなくてもよく、掃引する場合と比較して、構成を簡単にすることが可能となる。本構成の場合はレーザとテラヘルツ波が試料上で重なるタイミングを時間領域で掃引することにより、時間領域から周波数領域のフーリエ変換によりスペクトルを取得している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る顕微鏡の構成を示したブロック図である。
【図２】図１に示すテラヘルツ波発生部の構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る顕微鏡の第１の応用例の構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係る顕微鏡の第２の応用例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態に係る顕微鏡及び試料観察方法について、図面を参照して説明する。この実施形態に係る顕微鏡装置１１は、図１に示すように、超短パルスレーザ生成部１２と、ビームスプリッタ１３と、テラヘルツ波生成部１４と、顕微鏡部１５と、画像表示・記録装置１６とを備える。
【００１８】
超短パルスレーザ生成部１２は、フェムト秒レーザ光源等から構成され、フェムト（ｆ）秒からピコ（ｐ）秒のパルス幅を有し、例えば、近赤外域の波長（後述する非線形光学（ＬＮ）結晶物質１４１があまり吸収しない波長域が望ましい）を有するコヒーレント光から構成される超短パルスレーザＰ１を出力する。超短パルスレーザ生成部１２としては、例えば、チタンサファイヤレーザやイッテルビウム（Ｙｂ）添加ファイバーレーザなどを使用できる。パルス幅は非線型性を利用する事から、１００ｆｓ以下であることが望ましい。
【００１９】
ビームスプリッタ１３は、超短パルスレーザＰ１をＰ２とＰ３に２分割する。分割された超短パルスレーザの一方のＰ２は、テラヘルツ波生成部１４に導かれ、他方Ｐ３は検出用レーザ光として顕微鏡部１５に導かれる。
【００２０】
テラヘルツ波発生部１４は、超短パルスレーザＰ２から、例えば、パルス強度10nJ/pulse以上（望ましくは10μJ/pulse以上）のテラヘルツ波Ｔ１を生成し出力する。
【００２１】
テラヘルツ波生成部１４は、非線形光学結晶物質（ＬＮ結晶）１４１と、波面傾斜装置１４２を備える。
【００２２】
非線形光学結晶１４１は、入射した超短パルスレーザに対する非線形応答により、テラヘルツ波をパラメトリック発生させる光学結晶であり、例えば、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３：ニオブ酸リチウム）結晶を使用することができる。
【００２３】
また、波面傾斜装置１４２は、ビームスプリッタ１３で分割された超短パルスレーザの波面を傾けてＬＮ結晶１４１に導光することにより、強いパルス強度のテラヘルツ波を得る。波面傾斜装置１４２は、図２に示すように、回折格子Ｋ１、ミラーＭ２、レンズＬ２、波長板Ｎ１、レンズＬ３を備える。このような波面傾斜装置１４２を用いると、回折格子Ｋ１の波面の傾斜がレンズＬ３の焦点位置に転送される構成とする。この場合、波長板Ｎ１は調整のために用いるが、ＬＮ結晶１４１と入射レーザ光の位相整合を取れる配置であれば、特に用いなくても良いが、波長板Ｎ１を用いた方が、調整が容易となる。波面傾斜装置１４２は上記した構成に限定されず、波面傾斜によって高出力テラヘルツ波を発生させるには、公知の方法（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙsics Ｂ 78, 593-599頁）を用いることも可能である。
【００２４】
なお、ＬＮ結晶１４１へ入射させる超短パルスレーザのパルスエネルギーは、発生させるテラヘルツ波の少なくとも1000倍のレーザパルスが望ましい。つまり、10nJのテラヘルツ波出力が必要であれば少なくとも10μJのレーザパルスエネルギーが必要となる。
【００２５】
再び図１を参照して、ビームスプリッタ１３で分割された超短パルスレーザの他方のＰ３と、テラヘルツ波発生部１４で発生したテラヘルツ波Ｔ１は、顕微鏡部１５に導光される。
【００２６】
顕微鏡部１５は、ミラーＭ１と、ハーフミラーＨ１，Ｈ２と、集光レンズＬ１と、試料台（ステージ）１５２と、検出器１５３とを備える。
【００２７】
ミラーＭ１は、超短パルスレーザＰ３を反射する周波数特性を有し、入射した超短パルスを試料台１５２に配置された試料１５１に向けて反射する。
【００２８】
ハーフミラーＨ１は、超短パルスを透過し、試料で発生した蛍光を反射する周波数特性を有する光学フィルタであり、入射した超短パルスレーザＰ３を通過させ、試料で発生した信号（蛍光）Ｓを検出器１５３に向けて反射する。ハーフミラーＨ１は、誘電体多層膜構造を用いる事などで生成可能である。
【００２９】
ハーフミラーＨ２は、超短パルスレーザＰ３と試料１５１で発生した信号（蛍光）Ｓを透過し、テラヘルツ波Ｔ１を反射する周波数特性を有し、超短パルスレーザＰ３と信号Ｓとを透過し、入射したテラヘルツ波Ｔ１を試料１５１に向けて反射する。これにより、超短パルスとテラヘルツ波とが合成（波長多重）される。ハーフミラーＨ２は、石英基板に導電性透明ＩＴＯ膜を成膜した素子などから構成される。
【００３０】
レンズＬは、超短パルスレーザＰ３とテラヘルツ波Ｔ１と、試料１５１の任意の位置に集光する。レンズＬは、超短パルスレーザＰ２を構成する近赤外光とテラヘルツ波Ｔ１とでほぼ同一の光学的性質（焦点距離等）を有するものが望ましく、例えば、高分子（プラスチック、樹脂）レンズが適している。レンズＬは、図示せぬフォーカス機構等により、光軸方向にその位置を微調整可能であり、焦点位置を試料１５１の表面、内部などに調整可能である。
【００３１】
試料台１５２は、試料１５１を載置し試料１５１を二次元方向に移動させることにより、試料１５１の走査を可能とする。
【００３２】
検出器１５３は、試料１５１で発生した信号（蛍光）Ｓの強度・スペクトル分布等を検出する。１ミクロンの径のレーザであれば、検出には汎用のシリコン検出器が使用可能である。なお、ＣＣＤ等を検出器として使用することも可能である。
【００３３】
検出器１５３の検出結果（強度、スペクトル分布）は、画像表示・記録装置に１６に供給され、記録され、適宜表示される。
【００３４】
なお、光学遅延素子Ｄ１，Ｄ２又はその一方を適宜配置し、超短パルスレーザＰ２、Ｐ３の両方又は一方を遅延し、位相合わせ等を行っても良い。
【００３５】
次に、上記した構成を有する顕微鏡装置１１の動作について説明する。
【００３６】
超短パルスレーザ生成部１２は、フェムトからピコ秒のパルス幅で、周期的に、周波数ω１の超短パルスレーザＰ１を出力する。パルス幅は非線型性を利用する事から１００ｆｓ以下であることが望ましい。
【００３７】
超短パルスレーザＰ１は、ビームスプリッタ１３により２つに分割され、一方の超短パルスレーザＰ２がテラヘルツ波発生部１４に導かれ、他方の超短パルスレーザＰ３が、検出用レーザ光として、顕微鏡部１５に導かれる。この二つに分けられた超短パルスレーザＰ２，Ｐ３の位相関係は、光学遅延素子Ｄ１，Ｄ２により、必要に応じて、適宜調整される。
【００３８】
なお、超短パルスレーザＰ２のパルスエネルギーは、発生させるテラヘルツ波の少なくとも1000倍程度以上であることが望ましい。つまり、10nJのテラヘルツ波出力が必要であれば少なくとも10μJのレーザパルスエネルギーが望ましい。
【００３９】
超短パルスレーザＰ２は、上記に説明したように、入射レーザの波頭Ｌの波面を傾けてＬＮ結晶１４１に空間的分布して照射され、ＬＮ結晶１４１において、パラメトリック増幅により、高強度テラヘルツ波が発生する。パルス強度10nJ/pulse以上、できれば、10μJ/pulse以上のテラヘルツ波を得られる事が望ましい。
【００４０】
顕微鏡部１５に導かれた超短パルスレーザＰ３は、ミラーＭ１で反射され、ハーフミラーＨ１を透過して、さらに、ハーフミラーＨ２を透過する。一方、テラヘルツ波Ｔ１は、ハーフミラーＨ２により、反射され、超短パルスレーザＰ３とテラヘルツ波Ｔ１とは合波（波長多重）される。
【００４１】
合波された光束は、レンズＬ１により、試料１５１上の任意の位置（深度）に集光される。レンズＬ１の位置を、ズーム機構により、光軸方向に調整することにより、焦点位置を試料１５１内で任意に調整することが可能である。また、試料１５１の二次元上の位置は、試料台１５２を調整することにより調整可能である。従って、合波された光束の焦点を、試料１５１の三次元上の任意の位置に調整可能である。
【００４２】
試料１５１上、或いは、試料１５１内部で、テラヘルツ波Ｔ１と超短パルスレーザＰ３とは試料の非線型性を反映したパラメトリック相互作用を起こし、超短パルスレーザＰ２の周波数ω1からテラヘルツ波Ｔ１の周波数ω２の分だけシフトした周波数成分ω３を有する信号（蛍光）Ｓを生成する。ω3＝ω1±ω２である。なお、パラメトリック過程がカスケードに生じる場合は、ω3＝ｍω1±ｎω２となることもある。ここでｍ、ｎは自然数である。
【００４３】
試料１５１で発生した信号ＳはレンズＬ１により集光され、ハーフミラーＨ２を透過し、ハーフミラーＨ１により反射され、検出器１５３により検出され、画像表示・記録装置１６に記録される。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の顕微鏡装置１１によれば、テラヘルツ波Ｔ１と超短パルスレーザＰ３とのパラメトリック過程により、両者の和周波数ω3（＝ω1＋ω２）或いは差周波数ω3（＝ω1−ω２）を試料１５１で発生させ、この和周波或いは差周波の波長成分を選択的に励起する。この場合、試料１５１に照射されたテラヘルツ波Ｔ１は、試料特有の吸収を受ける。この生体特有の吸収は、生体分子の特性を示す。従って、試料１５１上で（或いは試料１５１内で）発生するパラメトリック蛍光、即ち、信号Ｓは、テラヘルツ波Ｔ１の吸収を反映した強度を測定して信号Ｓとし、信号Ｓを反映したイメージング（例えば、特許文献１に開示されているようなイメージング）を実施すれば、試料１５１に蛍光マーカを導入することなく、生体分子の計測などが可能となり、非侵しゅう的、非破壊的な検査が可能となる。
【００４５】
また、テラヘルツ波Ｔ１に対し、テラヘルツ帯域内で、特有のスペクトル形状を有する場合、例えば、禁止薬物に代表されるような指紋スペクトルを有している場合には、このスペクトルを反映した特性が得られ、さらに、その分布を求めることも可能となる。
【００４６】
なお、本顕微鏡装置１１は、共鳴順位を使用していないため、レーザの波長を掃引する必要が無く、非共鳴のレーザを用いても計測が行える。和周波の場合、バックグラウンドフリーの計測が可能となる。
【００４７】
また、本実施形態の顕微鏡の分解能力は、主に、超短パルスレーザの空間分解の（即ち）波長に依存しており、テラヘルツ波の空間分解能には依存しない。このため、従来のテラヘルツ顕微鏡の１００倍程度の高い分解能が実現可能である。
【００４８】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
【００４９】
例えば、図３に示すように、顕微鏡部１５内の光路や配置を適宜変更することも可能である。また、光学遅延素子Ｄ１，Ｄ２の配置・非配置も任意に可能である。
【００５０】
また、テラヘルツ波を生成する手法も適宜変更可能である。例えば、図４に示すように、テラヘルツ波Ｔ１を生成するための超短パルスレーザ生成部１２１を配置してもよい。そして、制御部４１により、例えば、超短パルスレーザＰ１を生成するための超短パルスレーザ生成部１２の周波数ω１とパルス周波数ｆ２、テラヘルツ波Ｔ１生成用の超短パルスレーザ生成部１２１の周波数ω３とパルス周波数ｆ１とを制御し、さらに、その情報を検出器１５３或いは画像表示・記録装置に供給して記録・再生できるようにしてもよい。なお、ω１＝ω３でも、ｆ１＝ｆ２でもよく、これらの数値は任意である。
【００５１】
上述した実施形態では、顕微鏡装置１１を単体で例示したが、任意のイメージング検査装置に組み込まれてもよい。その場合には、不要部分は、除去されても良い。そのた、この発明は、分光計測装置、通信装置、化学分析装置等、種々の分野の装置及び方法等に本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１１  顕微鏡装置
１２  超短パルスレーザ生成部（パルスレーザ生成手段）
１３  ビームスプリッタ
１４  テラヘルツ波生成部（テラヘルツ波生成手段）
１５  顕微鏡部（検出手段）
L1  レンズ（照射手段）
１５３  検出器（検出手段）
【図１】
2011033700.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011033700.tif 000006