(57)【要約】【課題】複雑な補償機構を設けることなく、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れの影響を低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射できる、非線形光学装置を提供する。【解決手段】非線形光学装置は、短光パルスを発生する短光パルス源１０と、短光パルス源から発生した短光パルスを対象物に伝送するための短光パルス伝送系２０とを備える。非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、該非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、短光パルス源が発生する短光パルスは、変換限界に近く、且つ、パルス時間幅（半値全幅）TFWHMが、Ｔ１＜TFWHM＜Ｔ２を満たす。ただし、Ｔ１，Ｔ２は、パルス波形に依存して決定されるパラメータｋと総群速度分散スロープ量Ｄ３ｄとから算出される。【選択図】図１
2011203321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果を発生させる非線形光学装置であって、
短光パルスを発生する短光パルス源と、
該短光パルス源から発生した短光パルスを前記対象物に伝送するための短光パルス伝送系とを備え、
該非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、該非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、且つ、前記短光パルス源が発生する短光パルスのパルス時間幅（半値全幅）TFWHM が、Ｔ１＜TFWHM＜Ｔ２を満たし、
ただし、
【数１】
2011203321.tif 000016
ｋ：パルス波形に依存して決定されるパラメータ
Ｄ３ｄ：総群速度分散スロープ量
α＝０．５
であることを特徴とする非線形光学装置。
【請求項２】
前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の非線形係数をγ、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質により伝送される前後の前記短光パルスのピークパワーのうちいずれか高い値をPpeak、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の物理長をＬ、総群速度分散量をD2d、総群速度分散スロープ量をD3d、前記短光パルスの出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間幅をＴ０とするとき、
【数２】
2011203321.tif 000017
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の非線形光学装置。
【請求項３】
前記短光パルス源は、該短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル半値幅（半値全幅）をfFWHMとするとき、
【数３】
2011203321.tif 000018
を満たす短光パルスを発生することを特徴とする請求項１または２に記載の非線形光学装置。
【請求項４】
前記パラメータｋは、０．３５＜ｋ＜０．５５を満たすことを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
【請求項５】
前記短光パルス源は、チャープした短光パルスを発生するチャープ光発生装置と、該チャープ光発生装置から発生した短光パルスのチャープを補償するチャープ補償装置とを備えることを特徴とする請求項１−４のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
【請求項６】
前記チャープ補償装置は、回折格子を備えることを特徴とする請求項５に記載の非線形光学装置。
【請求項７】
前記チャープ補償装置は、プリズムを備えることを特徴とする請求項５に記載の非線形光学装置。
【請求項８】
前記短光パルス伝送系は、群速度分散補償装置を備えることを特徴とする請求項１−７のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
【請求項９】
前記群速度分散補償装置は、回折格子を備えることを特徴とする請求項８に記載の非線形光学装置。
【請求項１０】
前記群速度分散補償装置は、プリズムを備えることを特徴とする請求項８に記載の非線形光学装置。
【請求項１１】
前記短光パルス伝送系は、中空コアフォトニック結晶ファイバを備えることを特徴とする請求項１−１０のいずれか一項に記載の非線形光学装置。
【請求項１２】
前記短光パルス源は、１ピコ秒以下の時間幅の短光パルスを発生することを特徴とする請求項１−１１に記載の非線形光学装置。
【請求項１３】
請求項１−１２のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、
前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とする多光子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１−１２のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、
前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とする内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短光パルスを対象物に照射して、２次非線形光学効果を誘起する非線形光学装置およびこれを用いた多光子顕微鏡および内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生物学、医学、医療、加工、計測などの様々な分野において、高ピークパワーを持ち、複数の波長成分を含むピコ秒以下の超短光パルスが利用されるようになってきている。特に、生物学分野や医学分野では、多光子蛍光顕微鏡、高調波顕微鏡などの非線形光学効果を利用した顕微鏡や、光応力波を用いた遺伝子導入装置、拡散光トモグラフィ装置などに、チタン：サファイヤレーザやファイバレーザなどの、超短光パルスを発生する光パルス源が活発に利用されている。
【０００３】
これらの分野で超短光パルスは、超短光パルスが照射される対象物において非線形光学効果を誘起することを目的として使用される。そして、対象物に照射される超短光パルスのピークパワーが高いほど、高い効率で非線形光学効果が誘起される。
【０００４】
一方、光パルス源にて生成される超短光パルスを対象物まで伝送する際には、通常レンズや光ファイバなどの短光パルス伝送系が用いられる。しかし、高ピークパワーの超短光パルスは、短光パルス伝送系を伝搬する過程において、短光パルス伝送系の群速度分散（Group-velocity dispersion:ＧＶＤ）効果や短光パルス伝送系中にて誘起される自己位相変調（Self-phase modulation：ＳＰＭ）効果などの非線形光学効果の影響を受けて、時間幅広がりや波形崩れが生じることが知られている。この光パルス時間幅の広がりや光パルス波形の崩れは、多くの応用で問題となる。
【０００５】
例えば、多光子蛍光顕微鏡などの非線形光学顕微鏡では、高いピークパワーの超短光パルスが要求されるが、光ファイバなどの短光パルス伝送系中にパルス時間幅が広がる、または、パルス波形が崩れると、それに伴って短光パルスのピークパワーが低下し、多光子励起の効率が落ちるため、顕微鏡画像の明度が低下するという問題点がある。
【０００６】
したがって、短光パルス伝送系中における光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを、なるべく低減することが非常に重要である。
【０００７】
そこで、これらの短光パルス伝送系におけるＧＶＤ効果や非線形光学効果を低減する、もしくは、補償することが広く行なわれている。例えば、ＧＶＤ効果については、ＧＶＤの低い短光パルス伝送系を利用するか、短光パルス伝送系中にＧＶＤ補償素子を含めるという対策がとられる。また、非線形光学効果は、短光パルス伝送系中に長尺な光ファイバを含む場合には非常に顕著になるため、特別な対策が必要になるが、その他の場合はほとんど問題にならない。
【０００８】
一方、高次のGVDである群速度分散スロープについても、これを補償するための機構が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この機構を短光パルス伝送系内などに設けることによって、群速度分散スロープの影響による短光パルス波形の崩れを補償することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.A.R.Williams, L.A.Everall, I.Bennion, “Fiber Bragg grating fabrication for dispersion slope compensation,” IEEE Photon. Technol. Lett., 8, pp.1187-1189 (1996)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、群速度分散スロープなどの高次分散を完全に補償する、もしくは無視できる程度に十分低減することは、現状では技術的に非常に難易度が高い。また、非特許文献１に記載のように、高次分散補償機構を設けると、短光パルス伝送系の複雑化及び高コスト化を招いてしまう。
【００１１】
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、複雑な補償機構を設けることなく、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや、波形崩れの影響を低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射できる、非線形光学装置およびこれを用いた多光子顕微鏡および内視鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成する請求項１に係る非線形光学装置の発明は、
対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果を発生させる非線形光学装置であって、
短光パルスを発生する短光パルス源と、
該短光パルス源から発生した短光パルスを前記対象物に伝送するための短光パルス伝送系とを備え、
該非線形光学装置内で発生する非線形光学効果が実質的に無く、該非線形光学装置内の群速度分散量が実質的に無く、且つ、前記短光パルス源が発生する短光パルスのパルス時間幅（半値全幅）TFWHMが、
Ｔ１＜TFWHM＜Ｔ２                         （１）
を満たし、
ただし、
【数１】
2011203321.tif 000003
ｋ：パルス波形に依存して決定されるパラメータ
Ｄ３ｄ：総群速度分散スロープ量
α＝０．５
であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の非線形係数をγ、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質により伝送される前後の前記短光パルスのピークパワーのうちいずれか高い値をPpeak、前記短光パルス伝送系の各伝播媒質の物理長をＬ、総群速度分散量をD2d、総群速度分散スロープ量をD3d、前記短光パルスの出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間幅をＴ０とするとき、
【数２】
2011203321.tif 000004
を満たすことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス源は、該短光パルス源が発生する短光パルスのスペクトル半値幅（半値全幅）をfFWHMとするとき、
【数３】
2011203321.tif 000005
を満たす短光パルスを発生することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１−３のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、
前記パラメータｋは、０．３５＜ｋ＜０．５５を満たすことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１−４のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス源は、チャープした短光パルスを発生するチャープ光発生装置と、該チャープ光発生装置から発生した短光パルスのチャープを補償するチャープ補償装置とを備えることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の非線形光学装置において、
前記チャープ補償装置は、回折格子を備えることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７に係る発明は、請求項５に記載の非線形光学装置において、
前記チャープ補償装置は、プリズムを備えることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８に係る発明は、請求項１−７のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス伝送系は、群速度分散補償装置を備えることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の非線形光学装置において、
前記群速度分散補償装置は、回折格子を備えることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１０に係る発明は、請求項８に記載の非線形光学装置において、
前記群速度分散補償装置は、プリズムを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項１１に係る発明は、請求項１−１０のいずれか一項に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス伝送系は、中空コアフォトニック結晶ファイバを備えることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１２に係る発明は、請求項１−１１に記載の非線形光学装置において、
前記短光パルス源は、１ピコ秒以下の時間幅の短光パルスを発生することを特徴とするものである。
【００２４】
短光パルスの時間幅が１ピコ秒以下であれば、高ピークパワーのパルスとなり、対象物内で高い２次非線形光学効果が生じることが期待できる。
【００２５】
上記目的を達成する請求項１３に係る多光子顕微鏡の発明は、
請求項１−１２のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、
前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とするものである。
【００２６】
上記目的を達成する請求項１４に係る内視鏡の発明は、
請求項１−１２のいずれか一項に記載の非線形光学装置を備え、
前記対象物から発生した２次非線形効果を検出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、所定の条件下で、短光パルス源が発生する短光パルスの、パルス時間幅（半値全幅）TFWHMが所定の範囲（Ｔ１＜TFWHM＜Ｔ２）を満たすようにしたので、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る非線形光学装置の基本構成を示す図である。
【図２】2次非線光学形効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。
【図４】図３の群速度分散補償装置の一例を示す構成図である。
【図５】第１実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。
【図７】第２実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量と短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第３実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。
【図９】図８のチャープ補償部の一例を示す構成図である。
【図１０】図８のマイクロヘッドの詳細な構成を示す図である。
【図１１】本発明の第４実施の形態に係る内視鏡の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施形態の説明時先立ち、本願発明の基本的な構成と、理論的な根拠を説明する。
【００３０】
図１は、本発明に係る非線形光学装置の基本構成を示す図である。短光パルスを発生する短光パルス源１０と、短光パルス源１０から発生した短光パルスを対象物３０まで伝送するための短光パルス伝送系２０とを備える。ここで、非線形光学装置は、短光パルスを対象物３０に照射することにより、２光子蛍光および第２高調波発生等の２次非線形光学効果を発生させる装置である。対象物３０から発生した、２光子蛍光や第２高調波等の信号光は、例えば、図示しない検出部によって検出される。
【００３１】
ここで、短光パルス源１０および短光パルス伝送系２０より構成される光学系（短光パルス光学系１）は、公知の方法により、非線形光学効果および総群速度分散が低減できるか、あるいは、補償されるように構成することができる。一方、総群速度分散スロープ量は、容易に補償又は低減できず、無視することができない。そのような場合、短光パルスの波形の変形や歪みは、主として群速度分散スロープの存在に起因して発生する。
【００３２】
非線形光学装置内の非線形光学効果、総群速度分散量および総群速度分散スロープ量は、上述の（７），（８），（９）の各条件式を満たすことが好ましい。式（７）を満たす場合、非線形光学装置内の非線形光学効果は、無視できるほど小さい。式（８）を満たす場合、非線形光学装置内の群速度分散量は、無視できるほど小さい。さらに、式（９）を満たす場合、非線形光学装置内の群速度分散スロープは、無視できない。これらの条件式が満たされることによって、短光パルス光学系で発生する非線形光学効果と群速度分散とは、無視できるほど小さくなるので、群速度分散スロープの存在に起因する短光パルスの波形変化が顕著に現れる。
【００３３】
また、本発明の短光パルス源１０は、式（１０）を満たすフーリエ変換限界（以下、変換限界という）に近い短光パルスを発生するものとする。とくに、ＴＦＷＨＭ・ｆＦＷＨＭが０．８８を超えると、短光パルスを照射する対象物からの2次の非線形光学効果による信号光が完全な変換限界の半分程度以下となる。
【００３４】
ここでＴＦＷＨＭ・ｆＦＷＨＭの計算は、以下の式を用いてスペクトル幅を波長幅に直すことによって計算することができる。
【００３５】
【数４】
2011203321.tif 000006
ここで、ｃは光速、λｃは短光パルスの中心波長、λＦＷＨＭは波長幅（半値全幅）である。
【００３６】
上述のような条件下において、まず、短光パルス伝送系内の総群速度分散スロープ量を考慮しないで計算すると、短光パルスが照射される対象物において２次非線形光学効果により発生する信号の光量ＦｎｏＤ［Ｗ］は以下の式（１２）のように表される。
【００３７】
【数５】
2011203321.tif 000007
ここで、Ｃは［１／Ｗ］の次元を持つ係数、Ｐａｖｅは短光パルスの単位時間における平均パワー、ｆｒｅｐは短光パルスの繰り返し周波数、ＴＦＷＨＭは短光パルス時間幅（半値全幅）である。
【００３８】
式（１２）を見ると、短光パルス時間幅が短いほど、対象物における２次非線形光学効果により発生する信号の光量ＦｎｏＤが高いことがわかる。しかし、短光パルス伝送系内における総群速度分散スロープ量を考慮すると、短光パルス波形の崩れによる影響で、信号光の光量ＦｎｏＤは、式（１２）に以下の式（１３）を乗じたものとなる。
【００３９】
【数６】
2011203321.tif 000008
ここで、ｋは短光パルスの波形により定まるパラメータであり、Ｄ３ｄは総群速度分散スロープ量である。
【００４０】
すると、短光パルスが照射される対象物において２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆは、式（１２）と式（１３）を掛け合わせた以下の式（１４）のように表される。
【００４１】
【数７】
2011203321.tif 000009
【００４２】
図２は、この式（１４）を横軸に短光パルス幅ＴＦＷＨＭをとりグラフに表したものである。図２に示されるように、短光パルス伝送系内における総群速度分散スロープ量が無視できないほど大きい場合、対象物に短光パルスを照射して２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆには、最大（ＦＭＡＸ）となる短光パルス時間幅があり、そこから大きく外れると２次非線形光学効果により発生する信号の光量Ｆが著しく低下する。
【００４３】
ここで、２光子蛍光観察における蛍光強度や短光パルスを照射する対象物の熱損傷などを考慮すると、２次非線形光学効果により発生する光量が最も高い値（ＦＭＡＸ）から光量Ｆがその５０％（α＝０．５）に落ちるまでの範囲（Ｔ１＜ＴＦＷＨＭ＜Ｔ２）のＴＦＷＨＭを有する短光パルスを用いることが好ましい。更に、検出器の感度などを考えるとより好ましくはＦＭＡＸの６０％以上、更には観察対象によっては７０％以上、また、微弱なシグナルを検出する場合は８０％以上となる範囲のＴＦＷＨＭが好ましい。
【００４４】
この最適な短光パルス時間幅ＴＦＷＨＭの範囲Ｔ１、Ｔ２を式（１４）から求めると、上述の式（２）および（３）が得られる。
【００４５】
【数８】
2011203321.tif 000010
ここで、ｋは短光パルスの波形に依存して変化するパラメータであり、パルス波形がガウシアン型の場合０．５３５となり、ハイパボリックセカント（ｓｅｃｈ）型の場合０．３７０となる。また、ガウシアン型とｓｅｃｈ型の中間のパルス波形の場合、この２値の中間の値をとる。
【００４６】
したがって、本発明の非線形光学装置は、群速度分散スロープを補償するための機構を設けなくとも、パルス時間幅ＴＦＷＨＭが上記要件を満足するようにすれば、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れの影響を低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射できる。
【００４７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４８】
（第１実施の形態）
図３は、本発明の第１実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。
【００４９】
この多光子顕微鏡は、ｓｅｃｈ型短光パルスを発生する短光パルス源１１、群速度分散補償装置２１、ビームエキスパンダ２２、ガルバノミラー４１ａ，４１ｂ、分光ミラー４２、対物レンズ４３、バリアフィルタ４４および検出器４５を含んで構成されている。
【００５０】
短光パルス源１１は、例えば、チタンサファイアレーザを用いた波長９８０ｎｍの近赤外領域のｓｅｃｈ型短光パルスを発生する光源であり、平均パワーは１Ｗ、繰り返し周波数は８０ＭＨｚ、時間半値全幅は８０ｆｓ、スペクトル幅は１３ｎｍである。
【００５１】
群速度分散補償装置２１、ビームエキスパンダ２２、ガルバノミラー４１ａ，４１ｂ、分光ミラー４２、対物レンズ４３は、短光パルス源１１を出射した短光パルスを観察対象の観察対象３１まで伝送する短光パルス伝送系を構成する。ここで、分光ミラー４２は、短光パルス源から伝送された短光パルスを反射させ、短光パルスの照射により観察対象から発生する信号光は透過させる周波数特性を有する、ダイクロイックミラーである。
【００５２】
群速度分散補償装置２１は、短光パルス源１１から観察対象３１までの光学系の総群速度分散量を補償する装置である。群速度分散補償装置２１は、例えば、プリズムペアを使用したものが知られており、図４に示すように、プリズム２１ａ，２１ｂおよびミラー２１ｃ，２１ｄにより構成される。プリズム２１ａ、２１ｂの間隔はおよそ７５ｃｍで、用いるプリズムは硝材ＳＦ５８で構成されたブリュースタープリズムである。
【００５３】
図４の群速度分散補償装置２１の作用を簡単に説明すると、短光パルス源１１から射出された短光パルスは、プリズム２１ａに入射し、これを通過する際、ガラスの屈折率分散による角度分散が生じる。さらに、角度分散により広げられた短光パルスは、プリズム２１ｂを通過して平行になり、ミラー２１ｃにより反射される。反射された光は、プリズム２１ｂ、２１ａを通過しミラー２１ｄで反射されて出射する。これにより発生する負の群速度分散により、非線形光学装置内の群速度分散が補償される。
【００５４】
次に多光子顕微鏡の装置全体の作用について説明する。短光パルス源１１から射出された光は、群速度分散補償装置２１を経由して、レンズ２２ａおよび２２ｂより構成されるビームエキスパンダ２２によりビーム径が拡大される。ビームエキスパンダ２２を出射した短光パルスは、ガルバノミラー４１ａおよび４１ｂで順次反射され、分光ミラー４２で反射され、対物レンズ４３により集光されて観察対象３１の所望の観察位置を照射する。その際、ガルバノミラー４１ａ，４１ｂを駆動することにより、観察対象３１上のパルス照射位置を順次走査させる。
【００５５】
ここで、観察対象３１は、マウスなどの実験小動物や人間の皮膚などであり、短光パルスの照射により、これら観察対象から２光子蛍光や第２高調波（ＳＨＧ）が発生する。
【００５６】
発生した２光子蛍光または第２高調波は、対物レンズ４３を経て分光ミラー４２を透過し、短光パルスによる迷光をカットするためのバリアフィルタ４４を透過して、信号光として検出器４５によって検出される。検出器４５はガルバノミラー４１ａ、４１ｂとともに図示しない画像処理装置に接続され、検出器４５で得られる信号光強度と観察対象３１上の短光パルス照射位置の情報に基づいて、２次元顕微鏡画像が形成される。
【００５７】
以上のような構成により、短光パルス源１１および短光パルス伝送系内で非線形光学効果はほとんど生じず、また、ビームエキスパンダ２２や対物レンズ４３等で発生する群速度分散は、群速度分散補償装置２１によって補償される。一方、群速度分散スロープは補償されていない。さらに、好適には、式（７）、（８）、（９）の条件が満たされる。そこで、式（２）および式（３）によりＴ１、Ｔ２を求め、式（１）に基づいて、好ましい短光パルスの時間幅（半値全幅）を求めることができる。
【００５８】
図５は、第１実施の形態における、2次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆと短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅ＴＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。最適な短光パルス時間幅（半値全幅）の範囲を求めた結果、
Ｔ１＝１２［ｆｓ］
Ｔ２＝８３［ｆｓ］
となった。
【００５９】
よって、短光パルスを照射する観察対象に２次の非線形光学効果を効率良く発生させるには、
１２［ｆｓ］＜ＴＦＷＨＭ＜８３［ｆｓ］
を満たす時間幅の短光パルスを用いると良い。短光パルス源１１から発せられる短光パルス時間幅（半値全幅）である８０［ｆｓ］は、この範囲内に属している。
【００６０】
また、短光パルス源１１を出射した直後の短光パルスは、ＴＦＷＨＭ×ｆＦＷＨＭ＝０．３３となり、式（１０）の条件を満たしている。
【００６１】
上記ＴＦＷＨＭの好適な範囲の導出において、短光パルス源１１からはｓｅｃｈ型短光パルスが発生するとして、
ｋ＝０．３７
Ｄ３ｄ＝０．００００３［ｐｓ３］
α＝０．５
とした。
【００６２】
ここで、ｋとＤ３ｄとの導出過程を簡単に説明する。まず、ｋは短光パルスの波形に依存するパラメータであり、ｋ＝ｋ１×ｋ２のように２つに分けることができる。
【００６３】
短光パルスが群速度分散スロープで波形歪みを起こした場合、その波形歪みにより、短光パルスが照射される対象において、２次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆが減少する。ｋ１はその減少に関する係数を表している。
【００６４】
具体的に説明すると、群速度分散スロープがない、もしくはほとんど無視できる場合は、短光パルスが照射される対象物において２次非線形光学効果により発生する信号の光量ＦｎｏＤは上述のように式（１２）で表すことができた。
【００６５】
【数９】
2011203321.tif 000011
【００６６】
さらに、系内の群速度分散スロープ量が無視できない場合、式（１３）の項を式（１２）に乗じていた。
【００６７】
【数１０】
2011203321.tif 000012
【００６８】
この式（１３）を書き換えると、以下のようになる。
【００６９】
【数１１】
2011203321.tif 000013
【００７０】
式（１５）は、変換限界におけるパルス時間幅（Ｔ０）の異なる光源を用意し、Ｄ３ｄの群速度分散スロープを持つ光学系に入射させ、２次非線形光学効果により発生する信号光量を見積もると、ｋ１の増加とともに信号光量Ｆが減少することを示し、ｋ１はこのときの係数を表している。この値は、ｓｅｃｈ型短光パルスでは、ｋ１＝０．６７６となる。
【００７１】
また、ｋ２は、短光パルス波形の半値全幅ＴＦＷＨＭと、信号強度が１／ｅになる幅Ｔ０との比の３乗である。よって、
【数１２】
2011203321.tif 000014
と表され、ｓｅｃｈ型パルスではｋ２＝１．７６３３となる。
【００７２】
したがって、ｋはｋ１、ｋ２を掛け合わせて０．３７と算出される。
【００７３】
次に群速度分散スロープＤ３ｄの値の導出方法を説明する。Ｄ３ｄは、ビームエキスパンダ２２などのレンズから発生するＤ３ｄ１と、群速度分散補償装置（プリズム対）から発生するＤ３ｄ２との和として計算した。前者は、使用しているレンズ材料屈折率の波長依存性を表すセルマイヤー方程式から求め、後者は、論文（R.L.Fork, O.E.Martinez, and J.p.Gordon, “Negative dispersion using pairs of prisms,” Opt. Lett., 9, pp.150 (1984)）に掲載のプリズム対からの群速度分散スロープを見積もる式から計算した。
【００７４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ｓｅｃｈ型の短光パルス源および短光パルス伝送系を備える非線形光学装置であって、装置内で発生する群速度分散スロープにより生じる短光パルスの変形による広がりが、装置内で発生する非線形光学効果と群速度分散とにより生じる短光パルスの変形による広がりよりも大きく、且つ、短光パルス源が発生する短光パルスの時間幅（半値全幅）が、１２＜［ｆｓ］ＴＦＷＨＭ＜８３［ｆｓ］を満たすようにしたので、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。
【００７５】
また、式（７）、（８）、（９）の条件が満たされる場合、非線形光学装置内の非線形光学効果および群速度分散効果が無視できるほど小さいので、群速度分散スロープの存在に起因する短光パルスの波形変化が顕著に現れるので、上記時間幅の超短パルスを使用することが特に有効である。
【００７６】
なお、群速度分散補償装置は、短光パルス源の直後に配置したが、これに限られず、総群速度分散を補償するために、短光パルス伝送系の任意の位置に配置することができる。また、群速度分散補償装置は、プリズム対を使ったものに限られず、回折格子対を用いたものなど（後述の実施例３のチャープ補償装置と同様のもの）、群速度分散を補償する種々の装置を利用することができる。
【００７７】
（第２実施の形態）
図６は、本発明の第２実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。本実施の形態は、既存の多光子顕微鏡に本発明を適用したものである。
【００７８】
この多光子顕微鏡は、ガウシアン型短光パルスを発生する短光パルス源１２、レンズ２４、中空コアフォトニック結晶ファイバ２５、レンズ２６および既存の顕微鏡装置５０を含んで構成されている。
【００７９】
短光パルス源１２は、例えば、チタンサファイアレーザを用いた波長９８０ｎｍの近赤外領域のガウシアン型短光パルスを発生する光源であり、平均パワーは１W、繰り返し周波数は８０MHｚ、パルス時間半値全幅は１４８ｆｓ、スペクトル幅は１５ｎｍである。
【００８０】
短光パルス源１２を出射した短光パルスは、レンズ２４を用いて長さ３ｍの中空コアフォトニック結晶ファイバ２５に入射し、この中空コアフォトニック結晶ファイバ２５を通った後、レンズ２６を用いて平行ビームとして顕微鏡装置５０に供給される。一般に中空コアフォトニック結晶ファイバの群速度分散量と群速度分散スロープ量とは非常に大きいが、伝送される光の波長を選択することよって、群速度分散量をゼロにすることができる。本実施の形態の中空コアフォトニック結晶ファイバ２５は、短光パルス源１２の発生する短光パルスの波長９８０ｎｍで、群速度分散量がゼロになるものを用いる。
【００８１】
顕微鏡装置５０は、ガルバノミラー対５１、分光ミラー４２、対物レンズ４３、バリアフィルタ４４および検出器４５を含んで構成されている。ここで、ガルバノミラー対は、観察対象３１を走査するための２組のガルバノミラーであり、第１実施の形態における２つのガルバノミラー４１ａおよび４１ｂと同様の構成、作用を有している。また、顕微鏡装置５０内のその他の構成も、第１実施の形態と同様であるので、同様の構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００８２】
なお、レンズ２４、中空コアフォトニック結晶ファイバ２５、レンズ２６、ガルバノミラー対５１、分光ミラー４２、対物レンズ４３は、短光パルス伝送系を構成する。
【００８３】
以上のような構成によって、短光パルス光源１２と顕微鏡装置５０との間を、中空コアフォトニック結晶ファイバ２５で接続するようにしたので、顕微鏡装置５０から離れた場所に短光パルス源１２を配置することができる。また、このような配置にすることで、短光パルス源１２からの短光パルスを、空間を伝播させ顕微鏡本体５０に導入する第１実施の形態のような場合と比べ、短光パルス源１２を動かしても、アライメントをし直す必要がないので、使い勝手が非常に良くなる。
【００８４】
また、以上のような構成によれば、短光パルス源１２および短光パルス伝送系内で非線形光学効果はほとんど生じず、また、中空コアフォトニック結晶ファイバ２５内では群速度分散は発生しない一方、大きな群速度分散スロープが発生している。この際、好適には、式（７）、（８）、（９）の条件が満たされる。そこで、式（２）および式（３）から求めたＴ１、Ｔ２に基づいて、式（１）から好ましい短光パルスの時間幅（半値全幅）を求めることができる。
【００８５】
図７は、第２実施の形態における、２次非線形光学効果により発生する信号光量Ｆと、短光パルス源から射出される光パルスのパルス時間幅ＴＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。最適な短光パルス時間幅（半値全幅）の範囲を求めた結果、
Ｔ１＝６５［ｆｓ］
Ｔ２＝４３４［ｆｓ］
となった。
【００８６】
よって、短光パルスを照射する観察対象に２次の非線形光学効果を発生させるには、
６５［ｆｓ］＜ＴＦＷＨＭ＜４３４［ｆｓ］
を満たす時間幅の短光パルスを用いると良い。更には最も好ましい短光パルス時間幅（半値全幅）は１４８［ｆｓ］であり、本実施の形態の短光パルス源１２から発せられる短光パルス時間幅（半値全幅）は、最適な値となっていることがわかる。
【００８７】
また、短光パルス源１０出射直後の短光パルスは、ＴＦＷＨＭ×ｆＦＷＨＭ＝０．７となり、式（１０）の条件を満たしている。
【００８８】
上記ＴＦＷＨＭの好適な範囲の導出において、短光パルス源からはガウシアン型短光パルスが発生するとして、
ｋ＝０．５３５
Ｄ３ｄ＝０．００３［ｐｓ３］
α＝０．５
とした。
【００８９】
ここで、第１実施の形態と同様に、ｋとＤ３ｄとの導出過程を簡単に説明する。まず、ｋを、ｋ＝ｋ１×ｋ２のように２つに分け、ガウシアン型のパルスについて、ｓｅｃｈ型のパルスについて説明したのと同様にｋ１、ｋ２を求めると、ｋ１＝０．１１６，ｋ２＝１．６６６３となる。したがって、ｋは、ｋ１、ｋ２を掛け合わせて０．５３５と算出される。
【００９０】
また、群速度分散スロープＤ３ｄは、中空コアフォトニック結晶ファイバのゼロ分散波長における分散スロープＤ（約４．４［ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ］）を用い、中空コアフォトニック結晶ファイバの長さＬ＝３ｍとして、公知の算出式
【数１３】
2011203321.tif 000015
により算出した。
【００９１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ガウシアン型の短光パルス源および短光パルス伝送系より構成される非線形光学装置であって、装置内で発生する群速度分散スロープにより生じる短光パルスの変形による広がりが、装置内で発生する非線形光学効果と群速度分散とにより生じる短光パルスの変形による広がりよりも大きく、且つ、短光パルス源が発生する短光パルスの時間幅を、６５［ｆｓ］＜ＴＦＷＨＭ＜４３４［ｆｓ］を満たすようにしたので、群速度分散スロープによる光パルスの時間幅の広がりや波形崩れを低減した高ピークパワーの短光パルスを対象物に照射することができる。
【００９２】
また、式（７）、（８）、（９）の条件が満たされる場合、非線形光学装置内の非線形光学効果および群速度分散効果が無視できるほど小さいので、群速度分散スロープの存在に起因する短光パルスの波形変化が顕著に現れるので、上記時間幅の超短パルスを使用することが特に有効である。
【００９３】
なお、本実施の形態では、群速度分散のない中空コアフォトニック結晶ファイバを用いたので、第１実施の形態と異なり、群速度分散補償装置を用いない構成とした。仮に、顕微鏡装置の観察対象までの光学系で対物レンズ等により無視できない大きさの群速度分散が発生する場合は、これを補償するために群速度分散補償装置を短光パルス伝送系内に設けても良い。
【００９４】
（第３実施の形態）
図８は、本発明の第３実施の形態に係る多光子顕微鏡の概略構成図である。本実施の形態は、中空コアフォトニック結晶ファイバの先端に顕微鏡を小型化したマイクロヘッドを配置し、マウスなどの実験小動物の頭部に固定して、麻酔をかけない状態でマウスの脳などの臓器を観察できるようにしたものである。
【００９５】
この多光子顕微鏡は、チャープ光発生源１３、チャープ補償装置１４、レンズ２７、中空コアフォトニック結晶ファイバ２８、マイクロヘッド６１、マルチモード光ファイバ６２、レンズ６３、バリアフィルタ６４および検出器６５を含んで構成されている。
【００９６】
チャープ光発生源１３は、チャープしたパルスを射出する短光パルス光源であり、該チャープ光発生源１３の後段に配置されたチャープ補償装置１４は、そのチャープを補償するためのプリチャーパである。本実施の形態では、短光パルス源は、チャープ光発生源１３とチャープ補償装置１４とを含んで構成される。
【００９７】
図９は、回折格子を用いた公知のチャープ補償装置１４の詳細な構成を示す図である。群速度分散補償装置１４は、回折格子１４ａ，１４ｄ、レンズ１４ｂ，１４ｃおよびミラー１４ｅ，１４ｆを含んで構成される。短光パルス源１３から射出されたチャープした光パルスは、回折格子１４ａに入射し回折される際に、波長成分により角度分散が生じる。さらに、角度分散により広げられた短光パルスは、レンズ１４ｂ，１４ｃを経て回折格子１４ｄで再び回折され平行光になり、ミラー１４ｅにより反射される。反射された光は、回折格子１４ｄ、レンズ１４ｃ，１４ｂおよび回折格子１４ａを経由して、ミラー１４ｆで反射されて出射する。これにより発生する負の群速度分散により、チャープ光発生源１３の有するチャープが補償される。従って、短光パルス源１３およびチャープ補償装置１４は、組み合わされて、チャープのない変換限界に近い短光パルスを発生する短光パルス源を構成する。
【００９８】
図８に示すように、チャープ補償装置１４を出射した短光パルスは、レンズ２７を用いて中空コアフォトニック結晶ファイバ２８に入射し、この中空コアフォトニック結晶ファイバ２８を通って、観察対象である例えばマウス３３の頭部に取付けられ固定されたマイクロヘッド６１に伝送される。
【００９９】
図１０は、図８のマイクロヘッド６１の詳細な構成を示す図である。マイクロヘッド６１は、ピエゾＸＹスキャナ６１ａ、レンズ６１ｂ、分光ミラー６１ｃ、対物レンズ６１ｄ、バリアフィルタ６１ｅおよびレンズ６１ｆを含んで構成される。ピエゾＸＹスキャナ６１ａは、マイクロヘッド６１内へ導入された中空コアフォトニック結晶ファイバ２８の先端部と結合している。また、分光ミラー６１ｃは、短光パルスを透過させ、短光パルスの照射により観察対象から発生する信号光を反射させる周波数特性を有する。中空コアフォトニック結晶ファイバ２８を出射した短光パルスは、レンズ６１ｂでビーム径を拡大され、分光ミラー６１ｃを透過して対物レンズ６１ｄによりにより観察対象３１の所望の観察位置を照射する。その際、ピエゾＸＹスキャナ６１ａを駆動することにより、観察対象３１上のパルス照射位置を順次走査させる。
【０１００】
例えば、観察対象３１がマウスの脳の場合、短光パルスの照射により発生した２光子蛍光や第二高調波等は、対物レンズ６１ｄを経て分光ミラー６１ｃで反射され、短光パルスによる迷光をカットするためのバリアフィルタ６１ｅを透過して、レンズ６１ｆにより集光されマルチモードファイバ６２に入射する。
【０１０１】
その後、図８に示すように、信号光はマルチモードファイバ６２を通り、レンズ６３、バリアフィルタ６４を経て検出器６５によって検出される。検出器６５はピエゾＸＹスキャナ６１ａとともに図示しない画像処理装置に接続され、検出器６５で得られる信号光強度と観察対象３１上の短光パルス照射位置との情報に基づいて、２次元顕微鏡画像が形成される。
【０１０２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、チャープしたパルスを発生するチャープ光発生源とチャープを補償するチャープ補償装置とを含んで短光パルス源を構成したので、所定の条件を満たす場合、この光源を用いて第１および第２実施の形態による非線形光学装置と同様の効果が得られる。
【０１０３】
なお、チャープ補償装置としては、回折格子対を用いるものとしたが、これに限られない。第１実施の形態で、分散補償装置に使用したプリズム対を用いた装置と同様な構成の装置など、チャープした短光パルス源のチャープを補償する装置であれば、種々の装置を利用することが可能である。
【０１０４】
（第４実施の形態）
図１１は、本発明の第４実施の形態に係る内視鏡の概略構成図である。本実施の形態は、図８の第３実施の形態において、マイクロヘッド６１を硬性部７２として、これに接続される中空コアフォトニック結晶ファイバとマルチモードファイバとを１本に束ねて可撓性の挿入部７１とし、単独でもしくは既存の内視鏡の鉗子穴に挿入するなどして使用することにより、内視鏡非線形システム７０として使用するものである。これによって、内視鏡として利用しても、第３実施の形態と同様の効果が得られる。
【０１０５】
なお、本発明は、上記各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。たとえば、本発明の利用分野は、顕微鏡や内視鏡に限られず、２光子過程による２次の非線形光学効果を利用するものであれば、例えば材料の加工等の種々の分野にも適用可能である。また、上記第１〜第３の実施形態では、ｓｅｃｈ型またはガウシアン型の短光パルス源を用いたが、本発明が利用できる短光パルス源はこれに限られず、他の種々の光源を利用することが可能である。その場合、短光パルスの波形により、短光パルスの時間幅（半値全幅）の算出に用いたパラメータｋが異なる。特に、ガウシアン型とｓｅｃｈ型との中間に位置するようなパルス波形を有する場合、ｋの値もガウシアン型とｓｅｃｈ型との中間、すなわち、０．３５＜ｋ＜０．５５の範囲にある。このような波形の短光パルスに対しても、本発明の効果が有効に得られる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０    短光パルス源
１１    短光パルス源（ｓｅｃｈ型）
１２    短光パルス源（ガウシアン型）
１３    チャープ光発生源
１４    チャープ補償装置
１４ｅ，１４ｆ    ミラー
１４ａ，１４ｄ    回折格子
１４ｂ，１４ｃ    レンズ
２０    短光パルス伝送系
２１    群速度分散補償装置
２１ａ，２１ｄ    ミラー
２１ｂ，２１ｃ    プリズム
２２    ビームエキスパンダ
２２ａ    レンズ
２２ｂ    レンズ
２４    レンズ
２５    中空コアフォトニック結晶ファイバ
２６    レンズ
２７    レンズ
２８    中空コアフォトニック結晶ファイバ
３０    対象物
３１    観察対象
３３    マウス
４０    顕微鏡
４１ａ，４１ｂ    ガルバノミラー
４２    分光ミラー
４３    対物レンズ
４４    バリアフィルタ
４５    検出器
５０    既存の顕微鏡装置
５１ガルバノミラー対
６０    小型顕微鏡
６１    マイクロヘッド
６１ａ    ピエゾＸＹスキャナ
６１ｂ    レンズ
６１ｃ    分光ミラー
６１ｄ    レンズ
６１ｅ    バリアフィルタ
６１ｆ    対物レンズ
６２    マルチモードファイバ
６３    レンズ
６４    バリアフィルタ
６５    検出器
７０    内視鏡非線形システム
７１    可撓性の挿入部
７２    硬性部
【図１】
2011203321.tif 000019
【図２】
2011203321.tif 000020
【図３】
2011203321.tif 000021
【図４】
2011203321.tif 000022
【図５】
2011203321.tif 000023
【図６】
2011203321.tif 000024
【図７】
2011203321.tif 000025
【図８】
2011203321.tif 000026
【図９】
2011203321.tif 000027
【図１０】
2011203321.tif 000028
【図１１】
2011203321.tif 000029