(57)【要約】【課題】コンパクトで、安定的に計測を行えるＳＲＳ計測装置を提供する。【解決手段】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１００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１５０と、第１および第２の光を試料に照射する光学系１１７，１２０と、第１および第２の光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１の光を検出する光検出手段１２２とを有する。第１および第２の光生成手段のうち少なくとも一方は、Ｎｄ添加ファイバレーザまたはＮｄ添加ファイバ光増幅器を含む。【選択図】図１
2015158482.tif 000002
【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および第２の光を試料に照射する光学系と、
前記第１および第２の光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光を検出する光検出手段と、を有し、
前記第１および第２の光生成手段の少なくとも一方は、Ｎｄ添加ファイバレーザまたはＮｄ添加ファイバ光増幅器を含む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Ｎｄ添加ファイバレーザは、発振波長を変更する変更手段を有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計測装置。
【請求項３】
前記Ｎｄ添加ファイバレーザは、前記試料に照射する光の波長とは異なる波長での利得を抑制する抑制手段を有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】
前記第１および第２の光生成手段の少なくとも一方は、ファイバレーザ、ファイバ光増幅器、スーパーコンティニウム光生成手段の少なくともいずれかを含む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計測装置。
【請求項５】
前記第１および第２の光生成手段のうち一方が、Ｙｂ添加ファイバレーザまたはＹｂ添加ファイバ光増幅器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計測装置。
【請求項６】
前記第１および第２の光生成手段のうち一方が、Ｅｒ添加ファイバレーザまたはＥｒ添加ファイバ光増幅器を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項７】
前記第１の光は第１の繰り返し周波数を有する第１の光パルスであり、前記第２の光は前記第１の繰り返し周波数とは異なる第２の繰り返し周波数を有する第２の光パルスであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項８】
前記第１の繰り返し周波数は、前記第２の繰り返し周波数よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項９】
前記第１の繰り返し周波数は、前記第２の繰り返し周波数の２以上の整数倍であることを特徴とする請求項８に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１０】
前記光検出手段は、強度変調された前記第１の光パルスを検出することを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１１】
前記光検出手段の出力に基づいて、前記第２の繰り返し周波数で同期検波を行うロックインアンプを有することを特徴とする請求項１０に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１２】
前記第１または第２の繰り返し周波数を調整して、前記第１および第２の光パルスの相対時間差をなくすように同期制御を行う同期手段を有することを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１３】
前記光検出手段の出力に基づいて誘導ラマン散乱信号を検出する信号検出手段を有することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１４】
前記信号検出手段は、前記光検出手段の出力に基づいて同期検波を行うロックインアンプを含むことを特徴とする請求項１３に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１５】
前記ロックインアンプは、前記強度変調の繰り返し周波数で同期検波を行うことを特徴とする請求項１４に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１６】
前記第１または第２の光から一部の波長の光を抽出する選択手段を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１７】
前記第１および第２の光のチャープ率を一致させる調整手段と、前記第１および第２の光の前記試料上への到達時間差を可変とする時間差付加手段とを含むことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１８】
前記第１および第２の光生成手段は、偏波保持型であることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１９】
前記第１および第２の光を前記試料に集光する対物レンズと、
該対物レンズからの光により前記試料を２次元走査する走査手段と、
前記試料を移動させる移動手段と、
前記試料からの光を集光する集光レンズと、
前記試料からの光のうち一部の波長の光を透過させる波長フィルタと、
該波長フィルタを透過した光を検出した前記光検出手段の出力から誘導ラマン散乱信号を検出する信号検出手段と、
前記誘導ラマン散乱信号を処理して前記試料に関する情報を表示する処理手段とを有することを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering：ＳＲＳ）を利用して分子振動イメージング等の計測を行う誘導ラマン散乱計測装置に関し、例えば顕微鏡や内視鏡等の観察装置に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
コヒーレントラマン散乱（Coherent Raman Scattering：ＣＲＳ）を利用すると生体内分子の３次元分布や体内組成を観察することが可能であり、ＣＲＳの中でも特にＳＲＳを利用するとスペクトル歪みなく、定量的な観察が可能である。このようなＳＲＳを利用した計測装置では、互いに波長が異なる２つの光パルス（２波長光パルス）を試料に同時に照射してＳＲＳを誘起する。２波長光パルスの光周波数の差が試料の分子振動数と一致すると、それら光パルスの集光点にて誘導ラマン散乱が生じる。そして、試料を透過した２波長光パルスのうち、光周波数が高い、すなわち波長が短い光パルスの強度が減少し（誘導ラマンロス）、光周波数が低い、すなわち波長が長い光パルスの強度が増大する（誘導ラマンゲイン）。この誘導ラマンロスまたは誘導ラマンゲイン（以下、ともにＳＲＳ信号という場合がある）を検出することによって、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を行うことができる。
【０００３】
また、２波長光パルスの光周波数を変化させることによって、光周波数に対するＳＲＳ信号の依存性（ラマンスペクトル）の検出が可能であり、試料の組織構造や組成の特定が可能である。言い換えると、様々な分子や組織を観察するためには、観察対象の分子振動数と２波長光パルスの光周波数の差が一致するように光源の光周波数（波長）を選択する必要がある。
【０００４】
分子振動の中でも特に約６５０〜１３００ｃｍ−１の領域は、物質固有の特徴的なラマンスペクトルが得られることから、一般に「指紋領域」と呼ばれ、物質の同定に用いられる。指紋領域の観察には、指紋領域の分子振動数領域に含まれる光周波数の差を持つ２波長光パルスを生成可能な光源装置が必要である。さらに、生体試料の観察には、生体透過性の高い近赤外光を用いる必要がある。
【０００５】
指紋領域を観察可能なＳＲＳ計測装置として、特許文献１や非特許文献１にて開示されたものがある。特許文献１には、繰り返し周波数が２：１であるチタンサファイアレーザとＹｂファイバレーザを同期させて試料に同時に集光するＳＲＳ計測装置を開示されている。この構成では、チタンサファイアレーザ内部のチタンサファイア結晶等の光学素子を調整して、発振波長を９００ｎｍ近傍へ設定することによって、指紋領域での観察を行うことができる。また、非特許文献１には、１台のファイバレーザからの光パルスを分岐させ、一方の光パルスの波長をフォトニック結晶ファイバにより変換する（長波長側にシフトさせる）ことで、指紋領域での観察を可能とするＳＲＳ計測装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１０／１４０６１４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】OPTICS LETTERS/Vol.36,No.13/pp.2387-2389(2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１にて開示されたＳＲＳ計測装置では、一般に大型であり、しかもメンテナンス性が低い固体レーザを用いる必要がある。また、非特許文献１にて開示されたＳＲＳ計測装置では、ソリトン自己周波数シフトを用いた低効率な波長変換が必要となる。このため、波長変換光のパワーが小さかったり、指紋領域を計測するために必要な波長変換光の波長帯域が一般的な光増幅器の利得帯域と一致しないために光増幅が困難であったりする。したがって、指紋領域におけるＳＲＳ観察時のＳＮ比が低下し、高速での画像取得が困難である。
【０００９】
本発明は、コンパクトで、しかも指紋領域における計測を行えるＳＲＳ計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明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および第２の光を試料に照射する光学系と、第１および第２の光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１の光を検出する光検出手段とを有し、第１および第２の光生成手段の内、少なくとも一方は、Ｎｄ添加ファイバレーザまたはＮｄ添加ファイバ光増幅器を含んでいる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１または第２の光の光源として、小型で、かつ波長変換による光パワーの損失がないＮｄファイバレーザまたはＮｄファイバ光増幅器を用いる。このため、コンパクトでありながらも安定的に指紋領域における高速かつ高感度な計測を行えるＳＲＳ計測装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１であるＳＲＳ顕微鏡の構成を示すブロック図。
【図２】実施例１におけるパルスタイミング検出手段の構成を示すブロック図。
【図３】実施例１における遅延光路付加手段の構成を示すブロック図。
【図４】実施例１におけるＮｄファイバレーザの構成を示すブロック図。
【図５】実施例１におけるＮｄファイバレーザの別の構成を示すブロック図。
【図６】本発明の実施例２であるＳＲＳ顕微鏡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顕微鏡の構成を示すブロック図。
【図８】本発明の実施例４であるＳＲＳ顕微鏡の構成を示すブロック図。
【図９】本発明の実施例５であるＳＲＳ顕微鏡の構成を示すブロック図。
【図１０】本発明の実施例６であるＳＲＳ顕微鏡の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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】
【００１４】
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としてのＳＲＳ顕微鏡の構成を示す。
【００１５】
図１において、１００は第１の光生成手段であり、１０１は第１の光生成手段１００の種光源として用いられるパルス発振Ｎｄ添加ファイバレーザ（以下、単にＮｄファイバレーザという）である。１０２はＮｄファイバレーザ１０１からの光の波長帯域において光増幅可能なＮｄ添加ファイバ光増幅器（以下、単にＮｄファイバ光増幅器という）である。１０３，１０６はビームスプリッタであり、１０４，１１０，１１１，１１６はミラーである。
【００１６】
１５０は第２の光生成手段であり、１０５は第２の光生成手段の種光源として用いられるパルス発振Ｙｂ添加ファイバレーザ（以下、単にＹｂファイバレーザという）である。１０７は可変波長選択フィルタ（波長フィルタおよび可変波長選択手段）であり、１０８はＹｂファイバレーザからの光の波長帯域において増幅可能なＹｂ添加ファイバ光増幅器（以下、単にＹｂファイバ光増幅器という）である。１０９は合波ダイクロイックミラーである。
【００１７】
１１２はパルスタイミング検出手段（時間差検出手段）であり、１１３はパルス同期制御回路（同期手段）である。１１４は遅延光路付加手段であり、１１５は光偏向素子（走査手段）である。
【００１８】
１１７，１２０はそれぞれ集光レンズとしての第１の対物レンズおよび第２の対物レンズである。１１８は試料であり、１１９は試料駆動ステージ（試料移動手段）である。１２１は非検出光カットフィルタである。１２２は光検出器（光検出手段）であり、１２３はロックインアンプ（信号検出手段）である。１２４はコンピュータ（処理手段）である。
【００１９】
１２５は試料１１８に照射される第１の光を、１２６は第２の光をそれぞれ示す。なお、各構成部品を結ぶ太い直線および矢印付き直線はそれぞれ、光路および電気配線を表す。光路は可能な限り、ファイバ系で構成するのがよい。
【００２０】
本実施例では、試料１１８に照射する２波長光パルスのうち、ＳＲＳを検出する光を第１の光とし、検出しない光を第２の光とする。本実施例では、第１の光１２５を生成する第１の光生成手段１００は、種光源となるＮｄファイバレーザ１０１からミラー１０４までを指す。また、第１の光１２５とは異なる光周波数を有する第２の光１２６を生成する第２の光生成手段１５０は、Ｙｂファイバレーザ１０５からＹｂファイバ光増幅器１０８までを指す。
【００２１】
なお、第１の光生成手段１００と第２の光生成手段１５０はそれぞれ試料１１８に照射される第１の光１２５と第２の光１２６を生成するために必要な構成要素を全て含むものであるが、本実施例における構成要素に限定されるものではない。すなわち、使用する光の波長やパルス幅等に応じて適宜、第１の光生成手段１００および第２の光生成手段１５０から不必要な要素をなくしてもよい。また、第１の光１２５および第２の光１２６を生成するために必要となる別の構成要素が含まれていてもよい。このことは、後述する他の実施例においても同様である。
【００２２】
Ｎｄファイバレーザ１０１は、第１の光１２５を発する第１の光生成手段１００において種光源として用いられる。Ｇ．Ｐ．アグラワール著「非線形ファイバー光学」によれば、Ｎｄファイバは９２０ｎｍ，１０６０ｎｍ，１３５０ｎｍの３つのエネルギー遷移を持つことから、これらの３波長の近傍での発振が可能である。また、上記「非線形ファイバー光学」によれば、９２０ｎｍ帯では９００〜９４５ｎｍでの発振が、１０６０ｎｍ帯では１０７０〜１１４０ｎｍでの発振が、１３５０ｎｍ帯では１３３０〜１３４０ｎｍでの発振がそれぞれ報告されている。
【００２３】
このため、所望の波長で発振させるには、試料１１８に照射したい波長の光のみを透過または反射し、それ以外の波長の光を遮断する分光透過率または分光反射率を有する光学素子を共振器内に設けるとよい。
【００２４】
パルス幅は、ラマンスペクトルの高分解能とＳＲＳ信号の高感度検出を両立させる観点から、１〜１０ｐｓ程度が望ましい。このパルス幅で発振するＮｄファイバレーザは、非線形偏波回転法や半導体可飽和吸収ミラー等の可飽和吸収体を用いた一般的なモードロック手法を用いて共振器を構成可能である。環境変化に対して安定的に発振させるため、共振器を偏波保持型とするとよい。
【００２５】
Ｎｄファイバ光増幅器１０２は、Ｎｄファイバレーザ１０１からの光（以下、Ｎｄファイバレーザ光という）を増幅する。Ｎｄファイバ光増幅器１０２の構成は、励起光源により励起された希土類添加ゲインファイバ中に入射光を通過させることで光増幅を行う、一般的な希土類添加ファイバ光増幅器と同じ構成でよい。
【００２６】
Ｎｄファイバレーザ１０１からの光の波長とＮｄファイバ光増幅器１０２の利得帯域とを一致させるには、Ｎｄファイバ光増幅器１０２のゲインファイバにＮｄファイバレーザの共振器内と同様にＮｄファイバを用いればよい。Ｎｄファイバレーザ１０１を偏波保持型とした場合には、Ｎｄファイバ光増幅器１０２も同じく偏波保持型で構成することで、環境変化に伴う偏光状態の変化に対する安定性を向上させる（偏光状態の変化に起因する不安定性を排除する）ことができる。さらに、Ｎｄファイバ光増幅器１０２は、多段構成とすることで高出力化が可能である。
【００２７】
Ｙｂファイバレーザ１０５は、第２の光１２６を発する第２の光生成手段１５０において種光源として用いられる。一般にＹｂファイバレーザは、波長１０００〜１１００ｎｍ程度の範囲で発振が可能である。本実施例では、Ｙｂファイバレーザ１０５からの光の一部を可変波長選択フィルタ１０７によってフィルタリングすることにより、試料１１８に照射する第２の光１２６の波長を可変とする。このため、Ｙｂファイバレーザ１０５として、広帯域発振するレーザを用いることが好ましい。
【００２８】
また、本実施例では、ロックイン検出を高速化して検出感度を最大化するため、Ｙｂファイバレーザ１０５の繰り返し周波数をＮｄファイバレーザ１０１の繰り返し周波数の１／２となるように共振器を構成している。Ｎｄファイバレーザと同様に、環境変化に対して安定的に発振させるため、共振器を偏波保持型とするとよい。
【００２９】
本実施例では第２の光生成手段１５０において波長選択を行うが、同様な波長選択を第１の光生成手段１００において行うように系を構成してもよい。一般に、ＳＲＳでは試料に照射する２波長光パルスのうち、波長の短い光をポンプ光といい、波長の長い光をストークス光というため、本実施例でも第１の光１２５をポンプ光とし、第２の光１２６をストークス光とする。
【００３０】
なお、本実施例では、Ｎｄファイバレーザ１０１の繰り返し周波数をＹｂファイバレーザ１０５の繰り返し周波数の２倍とする場合について説明するが、２以上の整数倍であればよい。
【００３１】
可変波長選択フィルタ１０７は、Ｙｂファイバレーザ１０５からの光（以下、Ｙｂファイバレーザ光という）のうち、選択された特定波長の光のみを透過（通過）させる。可変波長選択フィルタ１０７としては、回折格子とスリット、音響光学可変波長選択フィルタ、導波路型回折格子、ＦＢＧ等、一般的に可変波長フィルタとして用いられているものを用いればよい。可変波長選択フィルタ１０７によって選択する波長幅は、第１の光１２５と同様に、第２の光１２６についてもパルス幅は１〜１０ｐｓが好ましいため、フーリエ変換限界パルス幅から０．１〜１ｎｍ程度とするとよい。
【００３２】
コンピュータ１２４は、可変波長選択フィルタ１０７での選択波長を制御する。例えば、回折格子とスリットを可変波長選択フィルタ１０７として用いる場合には、可動ステージ上に設置したスリットの位置や掃引速度を制御する。波長選択によって減衰した光強度はＹｂファイバ光増幅器１０８によって必要な光強度まで増幅される。
【００３３】
さらに、Ｙｂファイバ光増幅器１０８は、多段構成とすることで高出力化が可能である。Ｙｂファイバレーザ１０５を偏波保持型とした場合には、Ｙｂファイバ光増幅器１０８も同じく偏波保持型で構成することで、環境変化に伴う偏光の変化に対する安定性を向上させることができる。
【００３４】
ビームスプリッタ１０３，１０６はパルスタイミング検出用の光を分岐する。ビームスプリッタ１０３，１０６としては、偏光依存型および偏光無依存型のどちらを用いてもよいし、ハーフミラーを用いてもよい。光パワーの分岐比は１：１である必要はなく、同期用に分岐された光がパルスタイミング検出手段１１２においてパルスタイミングの検出が可能となる強度であればよい。偏光依存型のビームスプリッタを用いる場合、ビームスプリッタの前段にλ／２波長板を挿入し、これを回転することによって、ビームスプリッタにおける分岐比を連続的に変更できる。
【００３５】
また、ビームスプリッタ１０３，１０６はそれぞれＮｄファイバ光増幅器１０２の前、可変波長選択フィルタ１０７またはＹｂファイバ光増幅器１０８の後段に配置してもよい。
【００３６】
パルスタイミング検出手段１１２は、Ｎｄファイバレーザ光とＹｂファイバレーザ光の光パルス間のタイミングのずれ（相対時間差）を検出する。タイミングのずれを検出するには、同軸に合成（合波）したＮｄファイバレーザ光とＹｂファイバレーザ光を対物レンズでフォトダイオード上に集光し、両光パルス間の二光子吸収強度を検出すればよい。この場合、フォトダイオードは入射する両光パルスの波長に対する感度が低く、両光パルスの間で生じる二光子吸収に高い感度を有するものを用いる。例えば、ＧａＡｓＰ製の半導体からなるフォトダイオードは、波長が９２０ｎｍであるＮｄファイバレーザ光と１０３０ｎｍであるＹｂファイバレーザ光には感知しないが、これら両光による二光子吸収を高い感度で検出することができる。
【００３７】
図２には、パルスタイミング検出手段１１２の構成例を示す。２０１はＮｄファイバレーザ光の光路を、２０２はＹｂファイバレーザ光の光路をそれぞれ示す。２０３はＮｄファイバレーザ光を反射するミラーである。２０４はＹｂファイバレーザ光を透過し、Ｎｄファイバレーザ光を反射するダイクロイックミラーであり、Ｎｄファイバレーザ光とＹｂファイバレーザ光を同軸に合波する。合波された両ファイバレーザ光は、対物レンズ２０５に入射し、該対物レンズ２０５によってフォトダイオード２０６上の同一位置に集光される。
【００３８】
両ファイバレーザ光が集光されたフォトダイオード上では両ファイバレーザ光が時間的に重なる時間幅に応じて二光子吸収が発生する。両ファイバレーザ光の二光子吸収は、２波長光パルスが重なる時間が長いほど強く生じるため、２波長光パルスのタイミングのずれを評価する指標として用いることができる。
【００３９】
このようなパルスタイミング検出手段１１２を用いることで、２波長の光パルスに対してＳＲＳを効率的に誘起することができ、ＳＲＳに対する感度を向上させることができる。
【００４０】
２０７はパルスタイミング検出手段１１２で得られたパルスタイミングのずれに相当する電気信号を図１のパルス同期制御回路１１３に送信する電気配線である。
【００４１】
以下、図１に戻り、説明する。パルスタイミング検出手段１１２からの電気信号を受けたパルス同期制御回路１１３は、上記パルスタイミングのずれをなくするように（相殺するように）Ｙｂファイバレーザ１０５の共振器長の調整によりその繰り返し周波数を調整して、パルス同期制御を行う。また、パルス同期制御は、Ｎｄファイバレーザ１０１の共振器長の調整によってその繰り返し周波数を調整することで行ってもよい。
【００４２】
図３には、遅延光路付加手段１１４の構成例を示す。３０１はＮｄファイバレーザ光の光路を示す。３０２〜３０５はミラーであり、３０６はミラー３０３，３０４を一方向に駆動する駆動手段である。駆動手段３０６は本実施例では手動ステージを用いるが、コンピュータ１２４と連携して駆動させる場合には自動ステージを用いる。駆動手段３０６を矢印方向に駆動させることでＮｄファイバレーザ光の光路長を変化させる。遅延光路付加手段１１４により、ビームスプリッタ１０３，１０６からパルスタイミング検出手段１１２までのＮｄおよびＹｂファイバレーザ光の光路長差と、ビームスプリッタ１０３，１０６から試料１１８までのＮｄおよびＹｂファイバレーザ光の光路長差とを一致させる。
【００４３】
遅延光路付加手段１１４としては、ファイバディレイラインやその他、市販のディレイラインを用いてもよい。また、ファイバレーザや光増幅器等のファイバ長調整や光学素子の配置方法によって光路長差が無視できる場合には遅延光路付加手段１１４は不要である。
【００４４】
再び図１において、第１の光１２５と第２の光１２６は、ミラー１０４および合波ダイクロイックミラー１０９の姿勢を調整することで同軸に合波される。光偏向素子１１５は、試料１１８上で集光点の走査を行うために、合波された両光の射出角度を偏向する。光偏向素子１１５としては、本実施例ではガルバノミラーを用いるが、高速走査のためにレゾナントミラーやポリゴンミラーを用いてもよい。顕微鏡を構成する際には、ガルバノミラーを２個用意して２次元走査を行う。集光点が試料１１８上で２次元に走査されることで試料１１８の分子振動情報が画像として取得できる。
【００４５】
ミラー１１６は、合波ダイクロイックミラー１０９で合波された第１の光１２５と第２の光１２６を第１の対物レンズ１１７に導く。第１の対物レンズ１１７は、入射した光を試料１１８上に集光する。試料１１８は試料駆動ステージ１１９上に設置されている。試料駆動ステージ１１９は、ＸＹＺ方向に駆動することで、集光点の走査領域に試料１１８を移動させる。
【００４６】
第２の対物レンズ１２０は試料１１８からの光を採光し、かつ集光する。光偏向素子１１５の走査時における試料１１８上の光量分布を均一にして画像周辺部で暗くなることを防ぐためには、光偏向素子１１５のガルバノミラー面と第１の対物レンズ１１７の入射瞳面とを共役関係とするリレーレンズ対（走査光学系）を挿入すればよい。また、試料１１８からの散乱光を高効率に採光して、アーティファクトを低減するために、第２の対物レンズ１２０の開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）は第１の対物レンズ１１７よりも大きくしておくことが好ましい。
【００４７】
非検出光カットフィルタ１２１はバンドパスフィルタであり、第１の光１２５および第２の光１２６の内、繰り返し周波数の高い方のみを透過させる。光検出器１２２は、入射した光パルスを電気信号に変換する。光検出器１２２の受光部に対して効率的に集光するために、対物レンズ１２０と光検出器１２２の間にレンズを挿入してもよい。
【００４８】
ロックインアンプ１２３は、光検出器１２２からの電気信号中から、第２の光１２６の繰り返し周波数と同じ周波数でＳＲＳ信号（誘導ラマン散乱信号）をロックイン検出（同期検波）する。ロックイン検出の参照信号には、Ｙｂファイバレーザ１０５からの電気信号を用いる。例えば、Ｙｂファイバレーザ１０５の一部の光を分岐し、受光することによって参照用の電気信号を得ることができる。ロックイン検出時のノイズを低減するために、ロックインアンプ１２３の前段に、検出する繰り返し周波数帯のみを通過させるバンドパスフィルタを挿入してもよい。
【００４９】
コンピュータ１２４は、ロックイン検出されたＳＲＳ信号を読み出す。このＳＲＳ信号には、試料１１８に関する情報が含まれる。そして、コンピュータ１２４は、ＳＲＳ信号に対する信号処理を行って各波長での試料１１８に関する分子振動情報を画像化したＳＲＳ画像データ（２次元画像データ）を生成し、これらＳＲＳ画像データをディスプレイに表示する。画像化する上では、光偏向素子１１５からの信号をデータ収録開始のトリガー信号として用いるとよい。
【００５０】
また、コンピュータ１２４は、得られた各波長のＳＲＳ画像データに対して主成分分析、独立成分分析またはＭＣＲ−ＡＬＳ等といったスペクトル分析手法を適用し、特徴的な成分に注目して疑似カラー化してディスプレイ上に表示してもよい。ＭＣＲ−ＡＬＳは、multivariate spectrum decomposition-alternating least squaresの略である。
【００５１】
さらに、コンピュータ１２４は、可変波長選択フィルタ１０７を制御して、可変波長選択フィルタ１０７を透過する波長を選択することができる。また、コンピュータ１２４は試料駆動ステージ１１９を制御して、試料１１８における観察部位を３次元的に設定することができる。
【００５２】
本実施例では、光偏向素子１１５としてガルバノミラーを用いて試料１１８上で集光点の２次元走査を行う場合について説明した。しかし、１軸のガルバノミラーによる走査（ラインスキャン）とその走査方向に直交する方向への試料駆動ステージ１１９の駆動とを組み合わせて試料１１８上で集光点の２次元走査を行ってもよい。また、試料駆動ステージ１１９のみを２次元面内で駆動してもよい。また、画像化する必要がなければ、光偏向素子１１５を走査せずに、試料１１８上の１点におけるラマンスペクトル計測を行えばよい。
【００５３】
本実施例において、ＳＲＳ計測が可能なラマンスペクトル領域（波数域）を算出する。ポンプ光の波長をλ１、ストークス光の波長をλ２とすると、それらの光の波数差ｋ（ラマンシフト）は式（１）となる。さらに、ポンプ光およびストークス光の波長が可変で、ポンプ光の最大波長をｍａｘ（λ１）、最小波長をｍｉｎ（λ１）、ストークス光の最大波長をｍａｘ（λ２）、最小波長をｍｉｎ（λ２）とする。このとき、ポンプ光とストークス光で計測可能な波数域の最大波数ｋｍａｘ、最小波数ｋｍｉｎは式（２）に示すようになる。
【００５４】
本実施例では、ポンプ光であるＮｄファイバレーザ光の波長を９２０ｎｍとし、ストークス光であるＹｂファイバレーザ光の波長を１０３０ｎｍとし、波長掃引幅を±１５ｎｍとする。このとき、式（２）より、ＳＲＳ計測が可能な波数域は最小１０１７ｃｍ−１から最大１３００ｃｍ−１までとなる。これは、指紋領域でのＳＲＳ計測が可能であることを示す。
【００５５】
【数１】
2015158482.tif 000003
【００５６】
【数２】
2015158482.tif 000004
【００５７】
また、Ｎｄファイバレーザ１０１およびＹｂファイバレーザ１０５はそれぞれ、Ｎｄファイバ光増幅器１０２およびＹｂファイバ光増幅器１０８を用いて光増幅が可能である。このため、高非線形ファイバやフォトニック結晶ファイバを用いた波長変換等の変換効率の低い手法に比べて高出力化が可能である。これにより、ＳＲＳ検出感度を向上させることができる。
【００５８】
本実施例では、Ｎｄファイバレーザ１０１の繰り返し周波数をＹｂファイバレーザ１０５の繰り返し周波数の２倍となるように構成したが、繰り返し周波数が同じファイバレーザを用いてもよい。この場合、強度、波長および偏光状態のいずれかを外部入力によって変調する方法を用いて、任意の繰り返し周波数で第１の光１２５または第２の光１２６を変調し、変調されていない光を変調周波数においてロックイン検出する。
【００５９】
また、本実施例では第２の光生成手段１５０において波長選択することによってラマンスペクトルを計測するが、非特許文献１に記載のスペクトラルフォーカシング法と呼ばれるラマンスペクトル計測手法を用いてもよい。
【００６０】
スペクトラルフォーカシング法では、ポンプ光とストークス光のチャープ率を一致させた状態で試料に照射し、試料照射時の両光パルスタイミングをパルス幅内で相対的に変化させることで、ＳＲＳを誘起するラマンシフトを変化させ、ラマンスペクトルを計測する。したがって、スペクトラルフォーカシング法を用いるためには、ポンプ光、ストークス光のチャープ率を一致させるチャープ率調整手段とポンプ光、ストークス光の試料上への到達時間差を可変とする可変時間差付加手段を設ける必要が生じる。ただし、可変波長選択フィルタはなくしてもよい。
【００６１】
チャープ率調整手段には、ガラスブロックや回折格子対等を用いればよく、これを対物レンズ１１７までの光路中に適宜設置すればよい。
チャープ率Ｃはωを角周波数、ｔを時間として式（３）で定義される角周波数の変化率である。
【００６２】
【数３】
2015158482.tif 000005
【００６３】
スペクトラルフォーカシング法では、ポンプ光とストークス光のチャープ率の一致度が高いほど、ラマンスペクトル分解能が向上する。
【００６４】
可変時間差付加手段は、コンピュータ１２４と連動して時間差を付加できるように構成しておくとよい。例えば図３の遅延光路付加手段１１４において駆動手段３０６を自動ステージとしてコンピュータ１２４から駆動量を制御する等である。可変時間差付加手段はビームスプリッタ１０３と合波ダイクロイックミラー１０９の間、またはビームスプリッタ１０６と合波ダイクロイックミラー１０９の間、のいずれかに１つ設置すればよい。
【００６５】
次に、図４および図５を用いて本実施例のＮｄファイバレーザ１０１の構成例について説明する。本構成例では、Ｎｄファイバレーザ１０１の発振波長を適宜切り替えることによって観察可能なラマンスペクトル領域を拡大する例を示す。
【００６６】
４０１はレーザダイオードであり、４０２は波長多重カプラである。４０３はＮｄ添加ファイバ（以下、Ｎｄファイバという）である。４０４，４１７はファイバコリメータであり、４０５は波長選択フィルタである。４０６はフィルタ駆動ステージであり、４０７はコンピュータである。４０８，４１６はλ／４波長板、４０９はλ／２波長板であり、４１０，４１１は回折格子である。４１２，４１３はミラーであり、４１４はビームスプリッタである。４１５は光アイソレータであり、４１８はシングルモードファイバである。
【００６７】
図４に示した共振器構成は、非線形偏波回転を利用したモードロック手法を用いる構成である。非線形偏波回転とは、ファイバ中の光強度に応じて光の偏光状態が変化していく現象である。光強度の高い部分のみの透過率が高くなるように光路中の波長板角度を調整すれば、強度の大きい部分のみが残存し、増幅されることによって光パルスが生成される。
【００６８】
レーザダイオード４０１は、波長多重カプラ４０２を介してＮｄファイバ４０３を励起する。レーザダイオード４０１の出力光は、９２０ｎｍ帯の励起に適した８０８ｎｍ付近が望ましい。励起されたＮｄファイバ４０３から放出される光は、ファイバコリメータ４０４で平行光に変換されて空間に出力される。
【００６９】
空間に出力された光は波長選択フィルタ４０５に入射し、ここでＮｄファイバ４０３の利得域の一部の波長の光のみが透過し、その他の波長の光はカットされる。波長選択フィルタ４０５は、試料に照射する光の波長とは異なる波長での利得を抑制する抑制手段に相当する。波長選択フィルタ４０５は、誘電体多層膜で構成されており、入射角度を変更することで透過する光の波長を変更することができる。
【００７０】
波長選択フィルタ４０５は並進機能と回転機能を有するフィルタ駆動ステージ４０６上に設置されており、並進によって光路への挿入と退避とが切り替えられ、回転によってレーザ光に対する角度が変更される。発振波長が数個の波長に切り替えられればよいので、複数の波長選択フィルタ４０５を用意し、選択的に光路に挿入してもよい。
【００７１】
コンピュータ４０７は、フィルタ駆動ステージ４０６を制御する。
【００７２】
波長板４０８，４０９，４１６は、ビームスプリッタ４１４で反射する光のパワーが最大となるように角度を調整する。４１０，４１１は回折格子対であり、共振器内、特にファイバ部で生じる分散の補償を行う。
【００７３】
ミラー４１２は、入射光軸の少し下に配置されたミラー４１３の反射面内に光が入射するように光軸を傾ける。ビームスプリッタ４１４は、入射した光の一部をレーザ出力として共振器の外部へ出射させる。光アイソレータ４１５は、光の伝搬方向を一方向のみに限定する。ファイバコリメータ４１７は、空間伝搬光をファイバにカップリングする。
【００７４】
シングルモードファイバ４１８は、励起されたＮｄファイバ４０３に再び光を導く。共振器を伝搬する光は周回を重ねることで、光強度の大きい部分のみが増幅された結果、パルス化される。共振器内の損失が大きく、セルフスタート発振が困難である場合は、位相変調器等の外部変調素子を挿入して繰り返し周波数と同じ周波数の交流信号を入力するとよい。
【００７５】
本実施例において、波長選択フィルタ４０５として９２０ｎｍおよび９４５ｎｍの光をそれぞれ透過する別々のフィルタを切り替えて用いてもよい。これにより、波長９２０ｎｍと波長９４５ｎｍのそれぞれでＮｄファイバレーザ１０１の発振波長を切り替える（変更する）ことができる。これにより、Ｎｄファイバレーザ１０１の発振波長を変更する発振波長変更手段が構成される。
【００７６】
ポンプ光であるＮｄファイバレーザ光の波長を９２０ｎｍまたは９４５ｎｍとし、ストークス光であるＹｂファイバレーザ光の波長を１０３０ｎｍとし、波長掃引幅を±１５ｎｍとする。このとき、上述した式（２）より、観察可能なラマンスペクトルは、１０１７〜１３００ｃｍ−１まで又は７３０〜１０１３ｃｍ−１までとなる。したがって、指紋領域のほぼ全域でのラマンスペクトルの取得が可能となる。この結果、ＳＲＳ顕微鏡の物質同定能が向上する。
【００７７】
発振波長の変更は、波長選択フィルタ４０５を回転させることで、９２０ｎｍ帯域内で連続的に行うことができる。また、波長選択フィルタ４０５をさらに追加することにより、３波長以上の切り替えも可能である。
【００７８】
また、発振波長の切り替えを、図５に示すようなファイバ光路で行ってもよい。５０１〜５０４および５０５〜５１５の符号を付した構成要素はそれぞれ、図４の４０１〜４０４および４０８〜４１８の符号を付した構成要素と同じであるため、それらの説明は省略する。
【００７９】
５１６はファイバ接続型波長可変フィルタモジュールであり、５１７は波長切替え制御用コンピュータである。ファイバ接続型波長可変フィルタモジュール５１６はファイバコネクタ、ファイバコリメータおよび波長選択フィルタにより構成されるデバイスである。このデバイスは、例えば、ファイバコネクタが両端にあり、入射側ファイバコリメータから波長選択フィルタに光を出射し、透過光が出射側ファイバコリメータに入射し、再びファイバ伝搬させる。
【００８０】
ファイバ接続型波長可変フィルタモジュール５１６には、回転角度の調整が可能なマイクロメータが付属しており、ファイバ接続型波長可変フィルタモジュール５１６内の波長選択フィルタ角度を変えることで透過波長を選択することができる。ファイバ接続型波長可変フィルタモジュール５１６の波長選択フィルタの角度と透過波長との関係が既知であれば、所望の発振波長に応じて角度を手動もしくはコンピュータ５１７からの制御信号によって切り替えればよい。このようにして、発振波長変更手段が構成される。
【００８１】
また、発振波長変更手段としては図５に示した例に限らず、共振器内での透過波長を任意に切替え可能なフィルタであれば、どのような素子やデバイスを用いてもよい。
【００８２】
本実施例によれば、小型でメンテナンスの必要性が低く、かつ波長変換による光パワーの損失がないファイバレーザを用いるため、コンパクトな構成で安定的に高速かつ高感度な計測を行えるＳＲＳ顕微鏡を実現することができる。
【００８３】
また、入手が容易であるＮｄファイバレーザおよびＹｂファイバレーザを用いているため、容易にＳＲＳ計測装置および顕微鏡を製造することができる。
【００８４】
また、Ｎｄファイバレーザの発振波長を切り替えることで、指紋領域のほぼ全域でのＳＲＳ検出が可能なＳＲＳ顕微鏡を実現することができる。
【実施例２】
【００８５】
次に、図６を用いて、本発明の実施例２について説明する。本実施例では、発振波長帯が異なるＮｄファイバレーザを多段化することによって、さらなるラマンスペクトル取得領域の拡大がなされたＳＲＳ顕微鏡を提供する。光学系や計測系の構成は実施例１とほぼ同じであるが、発振波長帯域が異なる別のＮｄファイバレーザがもう１つ含まれている点が実施例１と異なる。
【００８６】
図６に本実施例のＳＲＳ顕微鏡の構成を示す。６００は第１の光生成手段であり、６０１は第１の光生成手段６００の種光源である第１のＮｄファイバレーザである。６０２は第１のＮｄファイバ光増幅器である。６０３，６０７，６１０はビームスプリッタであり、６０４，６１４，６１５，６１６，６２３はミラーである。６０８，６１３，６１７，６２９はダイクロイックミラーである。
【００８７】
６０５は第１の光生成手段６００の別の種光源である第２のＮｄファイバレーザであり、第１のＮｄファイバレーザ６０１とは異なる波長帯で発振する。６０６は第１のＮｄファイバレーザ６０５からの光を増幅する第２のＮｄファイバ光増幅器である。６２５は試料であり、６３４，６３５はそれぞれ、試料６２５に照射される第１の光および第２の光を示す。
【００８８】
６５０は第２の光生成手段であり、６０９は第２の光生成手段６５０の種光源であるＹｂファイバレーザである。６１１は可変波長選択フィルタであり、６１２はＹｂファイバ光増幅器である。６１８はパルスタイミング検出手段であり、６１９はパルス同期制御回路である。６２０，６２１は遅延光路付加手段である。６２２は光偏向素子であり、６２４，６２７はそれぞれ第１の対物レンズおよび第２の対物レンズである。６２６は試料駆動ステージである。６２８は非検出光カットフィルタであり、６３０，６３１は光検出器である。６３２はロックインアンプ（ロックイン検波回路）であり、６３３はコンピュータである。
【００８９】
なお、各構成部品を結ぶ太い直線および矢印付き直線はそれぞれ、光路および電気配線を表す。光路は可能な限り、ファイバ系で構成するのがよい。
【００９０】
図６中の６０１〜６０４の符号を付した構成要素はそれぞれ、図１中の１０１〜１０４の符号を付した構成要素と同じである。第２のＮｄファイバレーザ６０５は、Ｎｄファイバの１０６０ｎｍ帯での利得を利用したものであり、波長約１０６０〜１１２０ｎｍの間で発振する。
【００９１】
ダイクロイックミラー６０８，６１３は、第２のＮｄファイバレーザ６０５からの光をＹｂファイバレーザ６０９からの光へ合波する。パルスタイミング検出と試料照射に用いるＮｄファイバレーザ光の切替えはＮｄファイバ光増幅器６０２，６０６の電源のオンオフによって行うが、第１および第２のＮｄファイバレーザ６０１，６０５の電源のオンオフによって行うこともできる。また、ダイクロイックミラー６０８，６１７に切替え機構を備えることによって行ってもよい。
【００９２】
図６中の６０９〜６１３の符号を付した構成要素はそれぞれ、図１中の１０５〜１０９の符号を付した構成要素と同じである。ビームスプリッタ６０３，６０７は、図１のビームスプリッタ１０３，１０６と同様に、第１および第２のＮｄファイバレーザ６０１，６０５とＹｂファイバレーザ６０９からパルスタイミング検出用に必要な光を分岐させる。分岐された光は、パルスタイミング検出手段６１８に入射する。
【００９３】
パルスタイミング検出手段６１８は、試料６２５に照射される光に応じて、第１のＮｄファイバレーザ６０１とＹｂファイバレーザ６０９との間または第２のＮｄファイバレーザ６０５とＹｂファイバレーザ６０９との間のパルスタイミングのずれを検出する。
【００９４】
そして、パルスタイミング検出手段６１８から出力される上記パルスタイミングのずれに相当する電気信号が、パルス同期制御回路６１９に送出される。パルス同期制御回路６１９は、入力された信号に応じて、Ｙｂファイバレーザ６０９の共振器長を制御し、同期制御を行う。
【００９５】
遅延光路付加手段６２０，６２１は、図１の遅延光路付加手段１１４と同様に、パルスタイミング検出手段６１８と試料６２５上での第１の光６３４と第２の光６３５の光路長差を一致させる。
【００９６】
図６中の６２２〜６２８の符号を付した構成要素はそれぞれ、図１中の１１５〜１２１の符号を付した構成要素と同じである。分波ダイクロイックミラー６２９は、同軸で入射する第１および第２のＮｄファイバレーザ６０１，６０５からの光を、波長に応じて一方を透過し、他方を反射する。透過または反射した光はそれらの波長に対応する光検出器６３０，６３１によって受光される。そして、光検出器６３０，６３１からの信号からロックインアンプ６３２によりＳＲＳ信号がロックイン検出され、コンピュータ６３３でデータ収録、信号処理、画像生成、分析および画像表示が行われる。
【００９７】
本実施例では、発振波長帯域が互いに異なるＮｄファイバレーザを２つ用い、さらに各Ｎｄファイバレーザにおいても発振波長を切り替える。具体的には、第１のＮｄファイバレーザ６０１の発振波長を９２０ｎｍと９４５ｎｍとに切り替え、第２のＮｄファイバレーザ６０５の発振波長を１０９０ｎｍと１１２０ｎｍとに切り替える。
【００９８】
本実施例では第１の光６３４の波長により、第１の光６３４がポンプ光、ストークス光のいずれにもなる。具体的には、第２の光６３５の波長を１０３０ｎｍとすると、第１の光生成手段６００において第１のＮｄファイバ光増幅器６０２をオン、第２のＮｄファイバ光増幅器６０６オフにすると、第１の光６３４の波長は９２０ｎｍまたは９４５ｎｍとなる。これにより、第１の光６３４がポンプ光となり、第２の光６３５がストークス光となる。逆に、第１の光生成手段６００において第１のＮｄファイバ光増幅器６０２をオフ、第２のＮｄファイバ光増幅器６０６をオンにすると、第１の光６３４の波長は１０９０ｎｍまたは１１２０ｎｍとなる。これにより、第１の光６３４がストークス光となり、第２の光６３５がポンプ光となる。
【００９９】
このとき、第２のＮｄファイバレーザの導入によって拡大されるラマンスペクトル領域は、以下のようになる。波長λ１をＹｂファイバレーザ光の波長１０３０ｎｍとし、波長掃引幅を±１５ｎｍとし、波長λ２を１０９０ｎｍまたは１１２０ｎｍとすると、式（２）より、３９５〜６７８ｃｍ−１まで又は６４１〜９２３ｃｍ−１までとなる。したがって、実施例１よりも指紋領域の低波数域での計測が可能となる。
【０１００】
このように、Ｎｄファイバレーザを多段化することによって、指紋領域のより低波数域でのＳＲＳ検出が可能となる。低波数域でのＳＲＳ検出が可能となることで、指紋領域全域でのラマンスペクトル取得が可能となり、ＳＲＳ顕微鏡の物質同定能がさらに向上する。
【０１０１】
本実施例では第２の光生成手段６５０において波長選択を行うが、同様な波長選択を第１の光生成手段６００において行うように系を構成してもよい。
【０１０２】
本実施例によれば、異なる波長帯域で発振するＮｄファイバレーザを用いて光源を多段化し、これを切り替えて使用することで、指紋領域の全域でのＳＲＳ検出が可能なＳＲＳ顕微鏡を実現することができる。
【実施例３】
【０１０３】
次に、図７を用いて本発明の実施例３について説明する。本実施例では、第１のファイバレーザとして、Ｎｄファイバレーザとは発振波長帯が異なるＥｒファイバレーザを追加することによって、さらなるラマンスペクトル取得領域の拡大を可能とする。
【０１０４】
図７に、本実施例のＳＲＳ顕微鏡の構成を示す。光学系や計測系は実施例２とほぼ同じであるが、第２のＮｄファイバレーザの代わりにＥｒファイバレーザと第２高調波発生素子とが含まれている点が異なる。
【０１０５】
７０１〜７０４および７０８〜７３６の符号を付した構成要素は、図５中の６０１〜６０４および６０７〜６３５の符号を付した構成要素と同じである。
【０１０６】
７００は第１の光生成手段であり、７０５はＮｄファイバレーザ７０１とは別の種光源であるパルス発振Ｅｒ添加ファイバレーザ（以下、単にＥｒファイバレーザという）である。７０６はＥｒファイバレーザからの光の波長帯域において光増幅可能なＥｒ添加ファイバ光増幅器（以下、単にＥｒファイバ光増幅器という）である。７０７は第２高調波発生素子である。
【０１０７】
７５０は第２の光生成手段であり、Ｅｒファイバレーザ７０５は、波長１５８０ｎｍの光（Ｅｒファイバレーザ光）を発振する。Ｅｒファイバ光増幅器７０６は、Ｅｒファイバレーザ７０５の発振帯域において光増幅を行う。
【０１０８】
第２高調波発生素子７０７は、入射したＥｒファイバレーザ光の第２高調波を出射する。Ｅｒファイバレーザ７０５の波長が１５８０ｎｍであるので、第２高調波発生素子７０７の出射光波長は７９０ｎｍとなる。第２高調波発生素子７０７には、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３結晶（Periodically Poled Lithium Niobate：ＰＰＬＮ）を用いることができる。入射光および目標とする出射光の特性に応じて適切に設計されたＰＰＬＮを用いた第２高調波発生素子は、ソリトン自己周波数シフトよりも高効率に波長変換が可能である。その結果、十分な強度のポンプ光を試料７２６に照射することができ、高速で高感度な計測が可能となる。
【０１０９】
このようにして得られたＥｒファイバレーザ７０５の第２高調波は、ＳＲＳ検出のためのポンプ光として用いられる。第２高調波発生素子７０７以降の構成やＳＲＳ検出方法は実施例２と同じであるため、説明は省略する。
【０１１０】
図７に示した光検出器７３１，７３２は、Ｎｄファイバレーザ光の検出用とＥｒファイバレーザ７０５の第２高調波の検出用とに分けて設けられている。ただし、Ｎｄファイバレーザ７０１の波長が９００ｎｍ帯であれば、Ｓｉフォトダイオードを用いればＮｄファイバレーザ光とＥｒファイバレーザ７０５の第２高調波の両方に検出感度を持つため、光検出器を１つにすることができる。
【０１１１】
本実施例において、第１の光７３５の波長は７９０ｎｍ、９２０ｎｍまたは９４５ｎｍであり、第２の光７３６の波長は１０３０ｎｍである。このため、第１の光７３５の波長の変更にかかわらず、第１の光７３５がポンプ光となり、第２の光７３６がストークス光となる。
【０１１２】
したがって、Ｅｒファイバレーザの導入によって拡大されるラマンスペクトル領域は以下のようになる。ポンプ光であるＥｒファイバレーザ光の第２高調波の波長を７９０ｎｍとし、ストークス光であるＹｂファイバレーザ光の波長を１０３０ｎｍ、波長掃引幅を±１５ｎｍとすると、式（２）より、２８０６〜３０８９ｃｍ−１までとなる。この領域はＣＨの伸縮振動が観察可能であることから、ＣＨ基が豊富に含まれる脂質や繊維質等の観察が可能であり、生体観察において重要な領域である。Ｎｄファイバレーザでの観察を組み合わせることで、物質同定能の高い指紋領域と生体からの信号が大きいＣＨ伸縮帯での観察が可能となる。
【０１１３】
本実施例によれば、第１の光生成手段の種光源としてＥｒファイバレーザを用いることで、指紋領域に加えて生体観察にも適したＣＨ伸縮帯でのＳＲＳ検出が可能なＳＲＳ顕微鏡を実現することができる。
【実施例４】
【０１１４】
次に、図８を用いて本発明の実施例４について説明する。本実施例では、第１および第２の光を生成する光生成手段として、単一のスーパーコンティニウム（Super Continuum；ＳＣ）光発生手段と２つの光増幅器を用いることによって、パルス同期手段を不要とし、さらなるコンパクト化を可能とする。
【０１１５】
図８には、本実施例のＳＲＳ顕微鏡の構成を示す。光照射部や計測系は実施例３とほぼ同じであるが、少なくとも２つの光増幅器により、ＳＣ光の一部の波長帯域を、それぞれの光増幅器の利得域において増幅し、第１の光と第２の光を生成する点が異なる。
【０１１６】
８１２，８１３および８１４〜８２５の符号を付した構成要素は、それぞれ図１中の１０９，１１４および１１５〜１２６の符号を付した構成要素と同じである。
【０１１７】
８００は第１の光生成手段であり、８５０は第２の光生成手段である。８０１は第１の光生成手段８００と第２の光生成手段８５０の共通の種光源であるＥｒファイバレーザである。８０２はＥｒファイバ光増幅器であり、８０３は光パルス圧縮手段である。８０４はＳＣ光生成手段であり、８０５は光分岐手段である。８０６および８０９は可変波長選択フィルタであり、８０７はＮｄファイバ光増幅器である。８０８はミラーであり、８１０はＹｂファイバ光増幅器である。８１１は強度変調器である。
【０１１８】
なお、各構成部品を結ぶ太い直線および矢印付き直線はそれぞれ、光路および電気配線を表す。光路は可能な限り、ファイバ系で構成するのがよい。
【０１１９】
Ｅｒファイバレーザ８０１は、波長１５６０ｎｍ付近の光（Ｅｒファイバレーザ光）を発振する。後段のＳＣ光生成の効率化のため、フェムト秒発振するように構成するとよい。Ｅｒファイバ光増幅器８０２は、Ｅｒファイバレーザ８０１の発振帯域において光増幅を行う。
【０１２０】
光パルス圧縮手段８０３は、パルス幅を短縮する。パルス幅を短縮し、光パルスのピークパワーを上げることでＳＣ光生成効率が向上する。光パルス圧縮手段には、分散補償ファイバ、ファイバブラッググレーティングおよび回折格子対等を用いればよい。ただし、Ｅｒファイバレーザ８０１のパルス幅が狭く、ピークパワーが十分大きければ、光パルス圧縮手段８０３はなくしてもよい。
【０１２１】
ＳＣ光生成手段８０４は、入射光を広帯域化する。ＳＣ光生成手段には、フォトニック結晶ファイバや高非線形ファイバを用いればよい。変換効率向上のためには、ゼロ分散波長を入射光の中心波長付近へシフトしたフォトニック結晶ファイバを用いるとよい。
【０１２２】
光分岐手段８０５は、光を分岐する。光分岐手段８０５には、ファイバカプラやビームスプリッタを用いればよい。
【０１２３】
可変波長選択フィルタ８０６，８０９はそれぞれ、ＳＣ光からそれぞれ波長を選択する。可変波長選択フィルタ８０６は、Ｎｄファイバの利得帯域内で波長を可変選択し、可変波長選択フィルタ８０９は、Ｙｂファイバの利得帯域内で波長を可変選択する。波長幅は前述したように０．１〜１ｎｍ程度とするとよい。
【０１２４】
Ｎｄファイバ光増幅器８０７およびＹｂファイバ光増幅器８１０はそれぞれ、可変波長選択フィルタ８０６，８０９を透過することで低下したパワーを増幅する。広帯域なＳＣ光のスペクトル全体に渡って増幅可能な手段は存在しないが、ファイバ増幅器の利得域に限れば十分に光増幅が可能であるため、ＳＣ光生成に伴う光の損失はファイバ増幅器の利得域において補償可能である。
【０１２５】
強度変調器８１１は、ＳＲＳ信号を検出するために第２の光８２５を強度変調する。該強度変調周波数においてＳＲＳ信号をロックイン検出する。強度変調器８１１には、繰り返し周波数を半分とするパルスピッカーを用いてもよいし、第１の光８２４を生成する光路中へ繰り返し周波数を倍加するディレイラインを挿入してもよい。この場合、低い方の繰り返し周波数と同じ周波数においてＳＲＳ信号をロックイン検出する。また、スペクトラルフォーカシング法を用いる場合は、第１の光８２４と第２の光８２５のどちらかの光路中または両光路中にチャープ率調整手段と可変時間差付加手段を挿入する。この場合、可変波長選択フィルタ８０６，８０９をなくしてもよい。
【０１２６】
本実施例では、共通の種光源（Ｅｒファイバレーザ８０１）から第１の光８２４と第２の光８２５を生成するため、パルス同期機構が不要となり、ＳＲＳ顕微鏡の小型単純化および安定化が可能となる。
【０１２７】
本実施例によれば、第１の光と第２の光を、共通の光源とＮｄファイバ光増幅器を含む少なくとも２つの光増幅器から生成することで、小型で安定した、かつ指紋領域でのＳＲＳ検出が可能なＳＲＳ顕微鏡を実現することができる。
【実施例５】
【０１２８】
次に、図９を用いて本発明の実施例５について説明する。本実施例では、実施例４の構成における種光源からの光を一部分岐し、別途波長変換して試料に照射することで、パルス同期手段を不要とし、さらなるラマンスペクトル取得領域の拡大を可能とする。
【０１２９】
図９に、本実施例のＳＲＳ顕微鏡の構成を示す。光照射部や計測系は実施例４とほぼ同じであるが、種光源直後で分岐し、波長変換素子で波長を変換し、試料に照射する光として用いる点が異なる。
【０１３０】
９０６〜９１１、９１３〜９１６および９１９〜９３０の符号を付した構成要素は、図８中の８０２〜８０７、８０９〜８１２および８１４〜８２５の符号を付した構成要素と同じである。
【０１３１】
９００は第１の光生成手段であり、９５０は第２の光生成手段である。９０１は第１の光生成手段９００と第２の光生成手段９５０の共通の種光源であるＥｒファイバレーザである。９０２は光分岐手段であり、９０３はＥｒファイバ光増幅器である。９０４は第２高調波発生素子であり、９０５はミラーである。９１２，９１６は合波ダイクロイックミラーであり、９１７，９１８は遅延光路付加手段である。
【０１３２】
なお、各構成部品を結ぶ太い直線および矢印付き直線はそれぞれ、光路および電気配線を表す。光路は可能な限り、ファイバ系で構成するのがよい。
【０１３３】
Ｅｒファイバレーザ９０１は、波長１５８０ｎｍ付近の光（Ｅｒファイバレーザ光）を発振する。光分岐手段９０２は、光を分岐する。光分岐手段９０２にはファイバカプラやビームスプリッタを用いればよい。Ｅｒファイバ光増幅器９０３は、後段の第２高調波発生素子９０４での波長変換のために光を増幅する。
【０１３４】
第２高調波発生素子９０４は、１５８０ｎｍ付近の光を７９０ｎｍ付近の光へと波長変換する。ミラー９０５および合波ダイクロイックミラー９１２，９１６は、その姿勢の調整によりビームを合波する。
【０１３５】
本実施例では、共通の種光源（Ｅｒファイバレーザ９０１）から第１の光９２９と第２の光９３０を生成する。第１の光９２９は、Ｎｄファイバ光増幅器９１１で増幅される光とＥｒファイバ光増幅器９０３で増幅される光の第２高調波の両方からなる光である。また、第２の光９３０は、Ｙｂファイバ光増幅器９１４で増幅される光である。このため、本実施例でも、実施例４と同様に、スペクトル計測領域が拡大し、かつパルス同期機構が不要となり、ＳＲＳ顕微鏡の小型単純化および安定化が可能となる。
【０１３６】
本実施例によれば、実施例３と同様に、Ｅｒファイバレーザ光の第２高調波を試料に照射できるため、指紋領域の観察と同時にＣＨの伸縮振動が観察可能であることから、ＣＨ基が豊富に含まれる脂質や繊維質等の観察が可能となる。さらにパルス同期手段を不要とし、小型で安定した、かつ指紋領域とＣＨ伸縮振動域でのＳＲＳ検出が可能なＳＲＳ顕微鏡を実現することができる。
【実施例６】
【０１３７】
次に、図１０を用いて本発明の実施例６について説明する。本実施例では、実施例５の構成における種光源をＮｄファイバレーザとし、Ｎｄファイバレーザ光の一部を分岐し、広帯域化してＹｂファイバ光増幅器で増幅した後に試料に照射することで、パルス同期手段を不要とし、さらなる信号対雑音比の向上を可能とする。
【０１３８】
図１０に、本実施例のＳＲＳ顕微鏡の構成を示す。光照射部や計測系は実施例４とほぼ同じであるが、種光源をＮｄファイバレーザとし、種光源直後で分岐し、ＳＣ光生成手段で波長を広帯域化して、試料照射光として用いる点が異なる。
【０１３９】
１００５および１００９〜１０２５の符号を付した構成要素は、図８中の８０８および８０９〜８２５の符号を付した構成要素と同じである。１０００は第１の光生成手段であり、１０５０は第２の光生成手段である。１００１はＮｄファイバレーザであり、１００２は光分岐手段である。１００３は可変波長選択フィルタであり、１００４，１００６はＮｄファイバ光増幅器である。１００７は光パルス圧縮手段であり、１００８はＳＣ光生成手段である。
【０１４０】
なお、各構成部品を結ぶ太い直線および矢印付き直線はそれぞれ、光路および電気配線を表す。光路は可能な限り、ファイバ系で構成するのがよい。
【０１４１】
Ｎｄファイバレーザ１００１は、９００ｎｍ付近の光（Ｎｄファイバレーザ光）を発振する。光分岐手段１００２は、光を分岐する。可変波長選択フィルタ１００３は、Ｎｄファイバレーザ光の一部の光を選択（抽出）する。
【０１４２】
Ｎｄファイバ光増幅器１００４，１００６は、Ｎｄファイバレーザ光を増幅する。光圧縮手段１００７は、パルス幅を短縮する。ＳＣ光生成手段１００８は、入射光を広帯域光に変換する。
【０１４３】
本実施例では、ＳＲＳ信号の検出に用いる第１の光１０２４を生成する際に種光源（Ｎｄファイバレーザ１００１）の光に対して波長変換等を行わず、後段の光増幅器でそのまま増幅することができるため、ＳＲＳ検出感度の向上が可能となる。また、共通の種光源からＮｄファイバレーザ光である第１の光１０２４と、Ｙｂファイバ光増幅器１０１０で増幅される光である第２の光１０２５を生成する。そのため、パルス同期機構が不要となり、ＳＲＳ顕微鏡の小型単純化および安定化が可能となる。
【０１４４】
本実施例によれば、第１の光を生成する種光源であるＮｄファイバレーザ光の波長変換が不要であり、さらに第１の光と第２の光の光増幅が可能であることから信号対雑音比を向上させることができる。さらに、本実施例によれば、パルス同期手段を不要とし、小型で安定した、かつ指紋領域でのＳＲＳ検出が可能なＳＲＳ顕微鏡を実現することができる。
【０１４５】
以上説明した各実施例では、試料を透過した光に対する計測を行う構成例を示したが、試料からの後方散乱光に対する計測を行うように構成を変更してもよい。また、試料への光の照射部をプローブ化して、誘導ラマン散乱観察装置の１つである内視鏡を構成してもよい。
【０１４６】
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】
【０１４７】
広い波長帯域で物質の特定が可能なＳＲＳ計測装置やこれを用いた顕微鏡等の観察装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１４８】
１００  第１の光生成手段
１０１  Ｎｄ添加ファイバレーザ
１０２  Ｎｄ添加ファイバ光増幅器
１２２  光検出器
１５０  第２の光生成手段
【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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【図９】
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【図１０】
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