(57)【要約】【課題】高効率でかつ安定性に優れた小型の非線形ラマン分光装置、顕微分光装置及び顕微分光イメージング装置を提供する。【解決手段】非線形ラマン分光装置の光照射部に、同一波長又は相互に異なる波長の短パルスレーザ光を発生する２つの光源を設けると共に、この光源の一方から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるパルス制御部を設ける。そして、この非線形ラマン分光装置を組み込んで、顕微分光装置や顕微イメージング装置を構成する。【選択図】図１５
2015222276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短パルスレーザ光を発生する第１の光源と、
該第１の光源よりも長波長の短パルスレーザ光を発生する第２の光源と、
前記第２の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるパルス制御部と、
前記第１の光源から出射された短パルスレーザ光から、連続白色光からなるストークス光を生成する偏波面保存シングルモードファイバと、
を有する非線形ラマン分光装置。
【請求項２】
前記第１の光源から出射された短パルスレーザ光からストークス光が生成すると共に、前記第２の光源からの光をポンプ光兼プローブ光とし、
前記パルス制御部により前記第２の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させることにより、前記ストークス光とポンプ光兼プローブ光とが同時に測定対象の試料に照射される請求項１に記載の非線形ラマン分光装置。
【請求項３】
前記パルス制御部は、前記第２の光源を電気的に制御することにより、短パルスレーザ光を時間遅延させる請求項１又は２に記載の非線形ラマン分光装置。
【請求項４】
前記第１の光源と前記偏波面保存シングルモードファイバとの間には、半波長板が配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光装置。
【請求項５】
ストークス光と、ポンプ光兼プローブ光とを合波した後で、これらの時間差を検出する検出部を有し、
該検出部での検出結果が前記パルス制御部にフィードバックされる請求項１から４のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光装置。
【請求項６】
前記偏波面保存シングルモードファイバの後段に音響光学波長可変フィルタが配設されている請求項１から５のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光装置。
【請求項７】
ストークス光の強度分布に応じて、波長選択時間又は前記音響光学可変フィルタの超音波強度を変調する請求項６に記載の非線形ラマン分光装置。
【請求項８】
前記音響光学可変フィルタにより、複数の分子振動スペクトルに対応する波長選択を行って、コヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン散乱スペクトル強度を測定し、基準スペクトル強度に対する定量比を測定又はイメージングする請求項６又は７に記載の非線形ラマン分光装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光装置。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、非線形ラマン分光装置、顕微分光装置及び顕微分光イメージング装置に関する。より詳しくは、ストークス光として広帯域光を用いるマルチプレックス・コヒーレント・アンチストークス・ラマン分光の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザラマン分光法は、ポンプ光として単一波長のレーザ光を被検体試料に照射し、その試料からの散乱光を分光する分析方法である。この散乱光であるストークス光又はアンチストークス光の波数のポンプ光に対するシフト量は、その被検体試料の物質固有の分子振動モードに対応している、物質によって特定のスペクトルとして観察される。このため、ラマン分光法は、赤外分光法と並んで分子指紋領域の分光法として、物質の解析・評価、医療診断、新薬や食品などの有機物の開発に、広く用いられている。
【０００３】
また、非線形ラマン分光法は、前述した従来のレーザラマン分光法と同様にラマン散乱光を測定するものであるが、３次の非線形光学過程を利用している点が異なる。３次の非線形光学過程は、励起光であるポンプ光、プローブ光及びストークス光の３種の光を入射して、散乱される光を検出する方法であり、例えば、ＣＡＲＳ（Coherent anti-Stokes Raman Scattering；コヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン散乱）、ＣＳＲＳ（Coherent Stokes Raman Scattering；コヒーレント・ストークスラマン散乱）、誘導ラマン損失分光、誘導ラマン利得分光などがある。
【０００４】
ＣＡＲＳ分光法では、一般に、ポンプ光とこのポンプ光よりも波長が長いストークス光を被検体試料に照射し、試料から散乱されるポンプ光よりも波長が短い非線形ラマン散乱光を分光し、スペクトルを得ている（例えば、特許文献１〜３参照。）。また、従来、ストークス光を発生させるための光源として、白色光を使用する非線形ラマン分光方法も提案されている（特許文献４参照）。
【０００５】
一方、前述した従来のＣＡＲＳ分光法では、ポンプ光やストークス光を生成するためのレーザ光は、数十ｆｓ〜数十ｐｓの超短パルス光が用いられているが、その場合、装置が高価でかつ複雑になるという問題点がある。そこで、従来、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）により、パルス幅が０．１〜１０ｎｓのパルス光を広帯域化して、スーパーコンティニューム光を生成する方法が提案されている（特許文献５参照）。
【０００６】
前述したＣＡＲＳ分光法などに代表される非線形ラマン分光法は、従来のラマン分光法に比べて、蛍光バックグランドの影響を回避することができ、更に、検出感度の向上が可能である。このため、特に、生体系の分子識別イメージング技術として、現在、研究開発が盛んに行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２８８６８１号公報
【特許文献２】特開２００６−２７６６６７号公報
【特許文献３】特開２０１０−２２５６号公報
【特許文献４】特開２００４−６１４１１号公報（特許第３６９１８１３号公報）
【特許文献５】特開２００９−２２２５３１号公報
【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、前述した従来の非線形ラマン分光法、特にマルチプレックスＣＡＲＳ分光法では、ＰＣＦや高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）などにより広帯域白色光を生成しているため、光損傷、特に入射端面近傍の光損傷が大きく、最大入射パワーが限られるという問題点がある。
【０００９】
一般に、ＰＣＦやＨＮＬＦを用いた場合、広帯域性を確保できるという長所があるが、これは、ＣＡＲＳ分光においては、広帯域であるが故、１波長あたりの光パワーが低くなるという短所となる。また、ＰＣＦには、特殊な端面処理が必要となるなどの問題点もある。
【００１０】
更に、ＰＣＦから発生されるスーパーコンティニューム光（広帯域光）のビームプロファイルは、一般的に、理想的なガウシアンビームとならない。そして、このようなビームプロファイルのレーザ光は、顕微分光法や顕微分光イメージングにおいて取得される画像の劣化の要因となるため、好ましくない。
【００１１】
そこで、本開示は、高効率でかつ安定性に優れた小型の非線形ラマン分光装置、顕微分光装置及び顕微分光イメージング装置を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、前述した問題点を解決するために、鋭意実験研究を行った結果、以下に示す知見を得た。特に、生体系への応用においては、分子指紋領域と呼ばれる分子振動スペクトル領域３００〜３６００ｃｍ−１の分光が重要である。このため、非線形ラマン分光法による顕微分光イメージングでは、入力するレーザビームの品質として非線形光学効果を大きくするため、ピークパワーが高いこと、ガウシアンビームが得られること及び偏光状態が直線偏光であることが求められている。
【００１３】
一方、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）から出射される光の空間強度分布は、出射光の波長がＳＭＦのカットオフ波長近傍又はそれ以上の波長であれば、理想的なガウシアンビームとなる。そこで、本発明者は、ストーク光用の広帯域白色光を生成する際、ＰＣＦやＨＮＬＦの代わりに、安価で容易に入手可能なＳＭＦを使用することについて検討した。その結果、本発明者は、ＳＭＦを使用すると、理想的なガウシアンビームが得られることも見出した。
【００１４】
また、非線形ラマン分光法においては、ポンプ光、プローブ光及びストークス光の３つのパルスの電場ベクトルの方向が一致している必要があり、これらの光発生部で偏光が直線偏光であることが望ましい。この点について、本発明者は、特定のＳＭＦ、特に、偏波面保存シングルモードファイバ（ＰＭ−ＳＭＦ）を使用することにより、良好な直線偏光のストークス光が得られることを見出し、本発明に至った。
【００１５】
即ち、本開示に係る非線形ラマン分光装置は、
短パルスレーザ光を発生する第１の光源と、
該第１の光源よりも長波長の短パルスレーザ光を発生する第２の光源と、
前記第２の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるパルス制御部と、
前記第１の光源から出射された短パルスレーザ光から、連続白色光からなるストークス光を生成する偏波面保存シングルモードファイバと、
を有するものである。
また、前記第１の光源から出射された短パルスレーザ光からストークス光が生成すると共に、前記第２の光源からの光をポンプ光兼プローブ光とし、前記パルス制御部により前記第２の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させることにより、前記ストークス光とポンプ光兼プローブ光とを同時に測定対象の試料に照射してもよい。
更に、前記パルス制御部は、前記第２の光源を電気的に制御することにより、短パルスレーザ光を時間遅延させることもできる。
加えて、前記第１の光源と前記偏波面保存シングルモードファイバとの間には、半波長板を配置することもできる。
更にまた、ストークス光と、ポンプ光兼プローブ光とを合波した後で、これらの時間差を検出する時間差測定部を有し、該時間差測定部での検出結果が前記パルス制御部にフィードバックされるようにしてもよい。
【００１６】
本開示に係る顕微分光装置及び顕微分光イメージング装置は、前述した非線形ラマン分光装置を備えたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本開示によれば、高効率でかつ安定性に優れた小型の非線形ラマン分光装置、顕微分光装置及び顕微分光イメージング装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本開示の第１の実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ６ｍのシングルモードファイバを使用して生成したストークス光５のスペクトルを示す図である。
【図３】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、偏波面保存シングルモードファイバの進相軸又は遅相軸に、入射励起光の偏波面を一致させたときのシングルモードファイバからの出射光の波長分布を示す図である。
【図４】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ６ｍのシングルモードファイバを使用して生成したストークス光と、ポンプ光のスペクトルを示す図である。
【図５】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、厚さが２ｍｍのポリメタクリル酸メチル板のＣＡＲＳスペクトルを示す図である。
【図６】本開示の第２の実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。
【図７】本開示の第３の実施形態の非線形ラマン分光システムの構成を示す概念図である。
【図８】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、ストークス光強度分布の自己相関関数を示す図である。
【図９】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、ストークス光強度分布を示す図である。
【図１０】数式６により、厚さが１ｍｍのポリエチレンテレフタレート板のＣＡＲＳスペクトルを規格化した結果を示す図である。
【図１１】数式７で表される条件式の導出方法を示す図である。
【図１２】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、ＬＰＦにより短波長側成分をカットしたストークス光の強度分布を示す図である。
【図１３】図１２に示すストークス光の強度分布に基づいて測定した厚さ１ｍｍのポリエチレンテレフタレート板のＣＡＲＳスペクトルを示す図である。
【図１４】図１２に示すストークス光の強度分布に基づいて測定した厚さ１ｍｍのポリスチレン板のＣＡＲＳスペクトルを示す図である。
【図１５】本開示の第４の実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を示す概念図である。
【図１６】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ１２ｍの偏波面保存シングルモードファイバを使用し、平均励起パワーが５０ｍＷのときのストークス光の強度分布を示す図である。
【図１７】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、波長５６１ｎｍのポンプ・プローブ光３のスペクトル及びエッジ波長６０５ｎｍのロングパスフィルタを通過したストークス光５の強度分布を示す図である。
【図１８】横軸に波長をとり、図１７に示すストークス光の強度分布を示す図である。
【図１９】横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ６ｍの偏波面保存シングルモードファイバを使用し、平均励起パワーが５０ｍＷのときのストークス光の強度分布を示す図である。
【図２０】横軸に波数をとり、縦軸に強度をとって、図１９に示すストークス光５の強度分布をポンプ・プローブ光３の波長５６１ｎｍを基準にしたラマンシフトの波数によって示す図である。
【図２１】本開示の第４の実施形態の変形例の非線形ラマン分光装置の構成を示す概念図である。
【図２２】本開示の第５の実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を示す概念図である。
【図２３】本開示の第６の実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本開示を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す各実施形態に限定されるものではない。また、説明は、以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態
（ストーク光の生成にシングルモードファイバを使用した装置の例）
２．第２の実施の形態
（ポンプ光及びプローブ光の光路上に光ファイバを配置した装置の例）
３．第３の実施の形態
（測定スペクトルを正規化処理する演算部を備えるシステムの例）
４．第４の実施の形態
（２台の光源を備える装置の例）
５．第４の実施の形態の変形例
（フィードバック機構を備える装置の例）
６．第５の実施の形態
（ＡＯＴＦを備える装置の例）
７．第６の実施の形態
（ロックインアンプを使用した装置の例）
【００２０】
＜１．第１の実施の形態＞
［装置の全体構成］
先ず、本開示の第１の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図１は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態の非線形ラマン分光装置１は、ＣＡＲＳ分光装置であり、図１に示すように、光源部１０、ポンプ・プローブ光生成部２０、ストークス光生成部３０、光照射部４０及び計測部５０が設けられている。
【００２１】
［光源部１０］
光源部１０は、少なくとも、パルス光を出射するレーザ１１、及びパルス光をポンプ・プローブ光生成部２０とストークス光生成部３０とに振り分ける偏光ビームスプリッタ１３を備えている。そして、光源部１０は、ポンプ・プローブ光生成部２０及びストークス光生成部３０に向けて、所定のパルス光を出射する。
【００２２】
ここで、レーザ１１は、パルス幅が０．２〜１０ｎｓ、パルスピークパワーが５０Ｗ〜５ｋＷ、波長が５００〜１２００ｎｍのパルス光を発生可能なものであればよい。例えば、安価で小型の１０６４ｎｍで発振するＱスイッチ方式のサブナノ秒繰返しパルスを発生するＮｄ：ＹＡＧレーザなどを使用することができる。また、Ｑスイッチ方式以外にも、モード同期方式のＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４又はＮｄ：ＹＬＦピコ秒レーザ、及びＹｂ系ドープファイバーピコ秒レーザなどを使用することもできる。
【００２３】
更に、測定に短波長の光を用いる場合は、前述した各レーザからの光を励起光として、ＫＴＰやＬＢＯなどの第２高調波（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）発生用光学結晶を用いてＳＨＧ光を発生させてもよい。この場合、励起光が１０６４ｎｍであれば、第２高調波発生による波長変換後の波長は５３２ｎｍとなる。このように、本実施形態の非線形ラマン分光装置１では、波長が５３２ｎｍ又は１０６４ｎｍの光を発するものを好適に使用することができる。
【００２４】
なお、光源部１０から出射されるパルス光の波長は、これらに限定されるものではなく、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの場合、１０６４ｎｍ以外に、波長が１３１９ｎｍ、１１２２ｎｍ及び９４６ｎｍの光を発振することが可能である。また、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの場合は、１０６４ｎｍ以外に、波長が１３４２ｎｍ及び９１４ｎｍの光を発振することが可能である。更に、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの場合は、波長１０５３ｎｍ又は１０４７ｎｍの光を、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの場合は、波長１０３０ｎｍの光を、それぞれ発振することができる。
【００２５】
そして、これらの波長を基本波として、第２高調波を発生させると、５３２ｎｍ以外にも、波長が６６０ｎｍ、５６１ｎｍ、４７３ｎｍ、６７１ｎｍ、４５７ｎｍ、５２７ｎｍ、５２３ｎｍ、５１５ｎｍのＳＨＧ光が得られる。
【００２６】
ただし、パルス幅を０．２ｎｓ未満にすると、レーザの機構が複雑になり、高価なものとなる。一方、パルス幅が１０ｎｓを超えると、１ショットあたりのパルスエネルギーが大きくなりすぎて、具体的にはレーザ光のパルスエネルギーが５μＪ以上となり、光ファイバ端面の損傷が生じたり、ストークス光の性能が不安定になったりすることがある。また、当然のことながら、レーザ動作時の消費電力が増加する。なお、レーザ１１から出射されるパルス光のパルス幅は、０．４〜５ｎｓであることが好ましい。
【００２７】
長さが短い光ファイバ内において、連続白色光を取得するための３次の非線形光学効果を得るためには、パルス光のピークパワーは高い方が好ましい。そこで、本実施形態の非線形ラマン分光装置１では、パルスエネルギーの増加を抑えるため、ピークパワーを高くする分、パルス幅を短くして、１ショットあたりのパルスエネルギーを下げ、繰り返し周波数に応じて平均パワーが大きくならないようにする。例えば、パルス幅が前述した範囲内で、繰り返し周波数が１０〜５０ｋＨｚの場合には、平均パワーが２５０ｍＷ以下になるようにする。
【００２８】
このような仕様を満たす光源部１０としては、例えば、受動Ｑスイッチ方式のＮｄ：ＹＡＧ固体レーザ（ＡＬＰＨＡＬＡＳ社製  ＰＬＵＳＥＬＡＳ  Ｐ−１０６４−３００）に、第２高調波発生用ＫＴＰ結晶ＳＨＧユニットを装備した構成が考えられる。この構成の場合、例えば、波長：５３２ｎｍ、平均パワー：１００ｍＷ、パルス幅：６００ｐｓ、繰返し周波数：３０ｋＨｚの光を出射することができる。
【００２９】
また、光源部１０には、レーザ１１と偏光ビームスプリッタ１３との間に、半波長板１２が配置されていてもよい。半波長板１２は、レーザ１１から出射した光の偏光面を回転させる偏光素子であり、その光学軸をθ回転させると、通過後のレーザ光の偏光面は２θ回転する。これにより、レーザ１１から出射した光が垂直偏光と水平偏光とに分配されるため、偏光ビームスプリッタ１３において、励起パルス光４とポンプ光兼プローブ光（以下、単にポンプ光という）３とに好適に分配することができる。
【００３０】
［ポンプ・プローブ光生成部２０］
ポンプ・プローブ光生成部２０には、光源部１０から入射したパルス光（ポンプ光３）を、後述するストークス光５と同時に照射するために、光路長調整機構が設けられている。具体的には、ポンプ光３を、複数のミラー２２ａ〜２２ｄ，２３ａ，２３ｂ，２４，２５ａ，２５ｂで反射することにより、光路長を調整して、ストークス光５とタイミングを合わせる。
【００３１】
なお、光路長調整機構は、図１に示す構成に限定されるものではなく、例えば、ミラー２２ａ〜２２ｄ，２３ａ，２３ｂの光学配置により、ポンプ光３の光路長を、ストークス光５の光路長と一致させることができれば、ミラー２４，２５ａ，２５ｂは不要となる。
【００３２】
また、シングルモードファイバ３２として、後述する偏波面保存シングルモードファイバを使用する場合には、最初のミラー２２ａの前に、ポンプ光３の偏光面の方向を、ストークス光５の偏光面の方向に一致させるための半波長板２１を配置する。なお、通常のシングルモードファイバを使用する場合は、半波長板２１は不要である。
【００３３】
［ストークス光生成部３０］
ストークス光生成部３０は、光源部１０から入射したパルス光４から連続白色光であるストークス光５を生成するものであり、少なくとも、シングルモードファイバ３２を備えている。ここで、ストークス光５の波長域は、分子指紋領域（ラマンシフト量で３００〜３６００ｃｍ−１）に対応するストークス光の波長であり、下記数式１により表される。なお、下記数式１におけるλはストークス光の波長（ｎｍ）、λｐはポンプ光の波長（ｎｍ）であり、また、波数ω（ｃｍ−１）と波長λ（ｎｍ）との関係は、下記数式２で表すことができる。
【００３４】
【数１】
2015222276.tif 000003
【００３５】
【数２】
2015222276.tif 000004
【００３６】
そして、ストークス光生成部３０において生成されるストークス光５の波長λは、例えば、ポンプ光３の波長λｐが５３２ｎｍの場合は５４０〜６６０ｎｍであり、ポンプ光３の波長λｐが１０６４ｎｍの場合は１１００〜１７２５ｎｍである。
【００３７】
また、ストークス光生成部３０に設けられるシングルモードファイバ３２は、ファイバ長が１〜２０ｍｍのものであればよい。シングルモードファイバ３２の長さが１ｍ未満の場合、平坦な連続白色光が得られないことがあり、また、ファイバ長が２０ｍを超えると、スペクトル全体の発生効率が低下すると共に、計測対象外の波長帯の光が増加する。なお、シングルモードファイバ３２の長さは、３〜１０ｍであることが好ましく、これにより、必要な波長帯域の連続白色光を、効率的にかつ安定して生成することができる。
【００３８】
更に、シングルモードファイバ３２のカットオフ波長は、励起パルス光４の波長にほぼ等しいものを選択することが望ましい。励起パルス光４の波長よりもカットオフ波長が短い場合は、ファイバへの入力結合効率が低下し、ストークス光５の生成効率や帯域幅が低下することがある。また、励起パルス光４の波長よりもカットオフ波長が長い場合は、ストークス光５のビームのモードがＴＥＭ００にならず、高次モードが混在し、単一のガウシアンビームが得られなくなる。なお、前述した要件を満たし、本実施形態の非線形ラマン分光装置１に使用可能なシングルモードファイバ３２としては、例えば、Ｎｕｆｅｒｎ社製  ４６０ＨＰ，６３０ＨＰなどが挙げられる。
【００３９】
更にまた、シングルモードファイバ３２は、前述した特性を有する偏波面保存シングルモードファイバを使用することが望ましい。これにより、直線偏光のストークス光５が得られるため、通常は直線偏光として用いられるポンプ光３と偏光面を一致させることができるため、ＣＡＲＳ信号を２倍程度増大することが可能となる。なお、本実施形態の非線形ラマン分光装置１に使用可能な偏波面保存シングルモードファイバとしては、例えば、Ｎｕｆｅｒｎ社製  ＰＭ−４６０−ＨＰ，ＰＭ−６３０−ＨＰ、及びＦＩＢＥＲＣＯＲＥ社製  ＨＢ８６００などが挙げられる。
【００４０】
なお、シングルモードファイバ３２に、励起パルス光４を導入する際は、開口係数をファイバの受光ＮＡに合わせるため、開口数ＮＡが０．１〜０．２５の範囲にある対物レンズを用いることが望ましい。一方、シングルモードファイバ３２の出射側には、ストークス光５のビーム径を、ポンプ光３のビーム径と一致させるため、開口数ＮＡが０．２〜０．６の対物レンズを用いることが望ましい。
【００４１】
シングルモードファイバ３２として偏波面保存シングルモードファイバを使用する場合には、励起パルス光４の偏光面の方向を、偏波面保存シングルモードファイバの光学軸（高速軸又は低速軸）に一致させるため、半波長板３１を配置する。なお、通常のシングルモードファイバを使用する場合は、半波長板３１は不要である。
【００４２】
また、このストークス光生成部３０には、シングルモードファイバ３２の出射面側に、ロングパスフィルタ３３が配置されている。ロングパスフィルタ３３は、シングルモードファイバ３２で発生した白色光の短波長側の光を反射し、長波長側の光のみを透過すものであり、これにより、生成したストークス光５から、不要な波長域の光を除去することができる。市販の高性能なロングパスフィルタでは、光学濃度６〜７の選択比を有するものが入手可能であり、本実施形態の非線形ラマン分光装置１では、例えばＳｅｍｒｏｃｋ社製  ＬＰ０３−５３２ＲＵ−２５などを使用することができる。
【００４３】
更に、ストークス光生成部３０には、ストークス光５の光路を変えて、光照射部４０に導入するためのミラー３４が設置されていてもよい。
【００４４】
［光照射部４０］
光照射部４０は、ポンプ・プローブ光生成部２０から出射したポンプ光３と、ストークス光生成部３０から出射したストークス光５が同軸になるよう重ね合わせ、同時に試料２に照射するものである。この光照射部４０の構成は、特に限定されるものではないが、例えば、ノッチフィルタ４１、ビームエキスパンダ４２，４３、ミラー４４、対物レンズ４５などで構成することができる。
【００４５】
ここで、ビームエキスパンダ４２，４３は、対物レンズ４５の入射瞳径に、ビーム径を合わせるためのものである。例えば、ビーム径が約２ｍｍの場合、３倍のビームエキスパンダを通過させることにより、対物レンズ４５に入射時のビーム径を約６ｍｍにすることができる。また、ノッチフィルタ４１としては、例えばＳｅｍｒｏｃｋ社製  ＮＦ−５３２Ｕ−２５などを使用することができる。
【００４６】
［計測部５０］
計測部５０は、試料２から発せられたＣＡＲＳ光を測定するものであり、例えば、対物レンズ５１、ショートパスフィルタ５２及び分光器５３などが設けられている。ショートパスフィルタ５２は、ポンプ光３及びストークス光５を遮断し、ＣＡＲＳ光のみを通過させるものである。同時に、試料で発生した蛍光も、ポンプ光３の波長よりも長波長であるため、ポンプ光３及びストークス光５と同様に効率良く遮断することができる。
【００４７】
市販の高性能なショートパスフィルタとしては、光学濃度６〜７の選択比を有するものが入手可能であり、本実施形態の非線形ラマン分光装置１では、例えばＳｅｍｒｏｃｋ社製  ＳＰ０１−５３２ＲＵ−２５などを使用することができる。
【００４８】
分光器５３は、例えば、熱ノイズを低減するために冷却機能を備えたＣＣＤ（Charge Coupled Device Image Sensor）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor
）アレイ検出器を装着したポリクロメータ、モノクロメータ又はＰＭＴ（Photomultiplier Tube：光電子増倍管）などを使用することができる。そして、ポリクロメータとしては、例えばＳＨＡＭＲＯＣＫ社製  ＳＲ−３０３ｉを使用することができ、その場合、１２００本／ｍｍの回折格子が用いられる。また、ＣＣＤ検出器には、ＡＮＤＯＲ社製  ＮＥＷＴＯＮ  ＤＵ９７０Ｎ  ＢＶを使用することができる。
【００４９】
ここで、ＣＡＲＳ光は、微弱な光であるため、損失を可能な限り抑えることが望ましい。また、計測部５０は、周囲の外光を十分に遮蔽する構成となっていることが望ましい。更に、分光器５３の入射スリットには、レンズ系を用いてＣＡＲＳ光を導入してもよく、又は、図１に示すように、マルチモード光ファイバ５４を用いてＣＡＲＳ光を導入することもできる。
【００５０】
［非線形ラマン分光装置１の動作］
次に、本実施形態の非線形ラマン分光装置１の動作、即ち、非線形ラマン分光装置１を使用して、試料２のＣＡＲＳスペクトルを測定する方法について説明する。本実施形態の非線形ラマン分光装置１においては、先ず、光源部１０において、レーザ１１から出射されたパルス光を、偏光ビームスプリッタ１３によって２分割し、それぞれポンプ・プローブ光生成部２０とストークス光生成部３０とに導入する。
【００５１】
その際、レーザ１１から出射したパルス光を、半波長板１２によりその偏光面を回転した後、偏光ビームスプリッタ１３により分割してもよい。これにより、分配比を調整することができる。
【００５２】
そして、ストークス光生成部３０に入射したパルス光４は、シングルモードファイバ３２に入射し、連続白色光であるストークス光５に変換される。図２は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ６ｍのシングルモードファイバを使用して生成したストークス光のスペクトルを示す図である。なお、図２に示すスペクトルは、波長５３２ｎｍ、入射パワー４０ｍｗのパルス光４から生成した白色連続光のスペクトルである。
【００５３】
ここで、シングルモードファイバ３２として偏波面保存シングルモードファイバを使用する場合には、半波長板３１を介して、光源部１０から導入されたパルス光４をシングルモードファイバ３２に入射させる。具体的には、半波長板３１によって、パルス光４の偏光面を回転し、偏光面がシングルモードファイバ３２の進相軸又は遅相軸と平行になるようにする。これにより、偏波面保存シングルモードファイバ内での偏光保存性が確保される。
【００５４】
図３は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、偏波面保存シングルモードファイバの進相軸又は遅相軸に、入射励起光の偏波面を一致させたときのシングルモードファイバからの出射光の波長分布を示す図である。図３に示すように、進相軸又は遅相軸に検光子の方位を一致させ、出射光のスペクトル強度分布を測定すると、ほぼ全ての波長に対して、いずれかを消光することができ、単一直線偏光特性を有するストークス光５を生成することができる。なお、図３に示す分布線について、どちらが進相軸又は遅相軸であるかは、特定していない。
【００５５】
また、光照射部４０に導入する前に、シングルモードファイバ３２から出射したストークス光５を、ロングパスフィルタ３３を通過させて、短波長側の成分を除去する。具体的には、例えば励起パルス光４が５３２ｎｍの場合は、この励起パルス光４も含むように、５４０ｎｍよりも波長が短い成分を除去する。これにより、シングルモードファイバ３２から出射される光に含まれる不要な短波長成分を遮断し、測定したいＣＡＲＳスペクトルの信号対ノイズ（バックグランド）の比を向上させることができる。
【００５６】
一方、ポンプ・プローブ光生成部２０に入射したパルス光（ポンプ光３）は、ストークス光５と同時に光照射部４０に導入されるように、複数のミラー２２ａ〜２２ｄ，２３ａ，２３ｂ，２４，２５ａ，２５ｂにより、その光路長が調整される。その際、半波長板２１により、ポンプ光３の偏光面の方向を、ストークス光５の偏光面の方向と一致させる。これにより、３次の非線形光学過程を高効率で利用することができ、ＣＡＲＳスペクトルの信号対ノイズ（バックグラウンド）比を向上させることができる。
【００５７】
光照射部４０に導入されたポンプ光３及びストークス光５は、ノッチフィルタ４１においてポンプ光３が反射し、ストークス光５は透過する。なお、ノッチフィルタ４１の代わりに、ロングパスフィルタを使用することもできる。そして、ポンプ光３及びプローブ光５は、ビームエキスパンダ４２，４３において、対物レンズ４５の入射瞳径に合うようビーム径が拡大された後、対物レンズ４５を介して、試料２に照射される。図４は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ６ｍのシングルモードファイバを使用して生成したストークス光と、ポンプ光のスペクトルを示す図である。
【００５８】
そして、計測部５０において、試料２から発せられたＣＡＲＳ光を検出し、ラマンスペクトルを得る。具体的には、試料２から発せられたＣＡＲＳ光を、対物レンズ５１で集光した後、ショートパスフィルタ５２でポンプ光３やストークス光５などの不要光を遮断した後、分光器５３において検出する。
【００５９】
図５は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、厚さが２ｍｍのポリメタクリル酸メチル板のＣＡＲＳスペクトルを示す図である。なお、図５に示すスペクトルは、対物レンズ４５にＮＡ０．４５のものを、対物レンズ５１にＮＡ０．３のものを使用し、レーザ１１の波長を５３２ｎｍ、繰り返し周波数を３０ｋＨｚ、パルス幅を約６００ｐｓとして測定した。また、対物レンズ４５から出射したポンプ光３の入射平均パワーは４ｍＷ、ストークス光５の平均パワーは６ｍＷであり、ＣＣＤ検出器の露光時間は５００ｍｓとした。
【００６０】
図５に示すように、本実施形態の非線形ラマン分光装置１によれば、５００〜３０００ｃｍ−１の分子指紋領域をカバーする広い範囲で、良好なＣＡＲＳ分光スペクトルが得られた。そして、本実施形態の非線形ラマン分光装置１では、時間遅延などの調整の動作が不要となり、一括してこの帯域のスペクトルを取得することが可能となる。
【００６１】
以上詳述したように、本実施形態の非線形ラマン分光装置１は、シングルモードファイバ３２によりストークス光５を生成しているため、構成を簡素化することができ、装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。また、シングルモードファイバ３２は、出力がガウシアンビームとなり、また入射端面の損傷が少ないため、結合方法やアライメントが簡単で、安定性の高いストークス光５が得られる。
【００６２】
なお、通常のＳＦＭを、カスケード誘導ラマン散乱における連続白色光源に使用した例は、従来より知られているが、非線形ラマン分光法への適用は報告がない。これは、ＳＭＦのカスケード誘導ラマン散乱光では、複数のピークが表れるためと考えられる。
【００６３】
また、特許文献５に記載の非線形分光計測システムでは、スーパーコンティニューム光（広帯域光）の偏光状態については特に記載されていないが、コヒーレントな３次の非線形光学過程を効果的に利用するためには、ポンプ光、プローブ光及びストークス光（広帯域光）の偏光が一致した直線偏光になっていることが重要である。これに対して、本実施形態の非線形ラマン分光装置１では、ポンプ光３の偏光面の方向を、ストークス光５の偏光面の方向と一致させているため、３次の非線形光学過程を高効率で利用することができる。
【００６４】
特に、偏光波面保存シングルモードファイバを使用した装置は、ポンプ光とストークス光のビーム調整（ビーム径を同一にし、方向を揃えるアライメント）を容易に行うことができ、顕微分光やイメージングに好適である。
【００６５】
＜２．第２の実施の形態＞
［装置の全体構成］
次に、本開示の第２の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図６は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図６においては、図１に示す第１の実施形態の非線形ラマン分光装置１の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６６】
図６に示すように、本実施形態の非線形ラマン分光装置６１は、ポンプ・プローブ光生成部７０の光路長調整機構が、ミラーによる反射ではなく、所定長の光ファイバ７３を通過させる構成となっている。具体的には、光源部１０から導入されたパルス光は、ミラー７１ａによりその光路が変更されて、光ファイバ７３に入射する。そして、光ファイバ７３を通過することによりその光路長が調整された後、ミラー７１ｂにより光路が変更されて、光照射部４０に出射される。
【００６７】
（ポンプ・プローブ光生成部７０）
ポンプ・プローブ光生成部７０に配置される光ファイバ７３としては、例えば、数ｍＷ以下の低励起パワーを入力する場合であれば、シングルモードファイバや偏波面保存シングルモードファイバを使用することができる。これは、励起パワーが低い場合は、ファイバ内でカスケードに誘導ラマン散乱光が発生せず、単なる光伝送用として用いることができるためである。このような場合に使用可能なシングルモードファイバとしては、Ｎｕｆｅｒｎ社製  ６３０ＨＰなどが挙げられ、偏波面保存ファイバとしては、Ｎｕｆｅｒｎ社製  ＰＭ−４６０−ＨＰ及びＦＩＢＥＲＣＯＲＥ社製  ＨＢ８６００などが挙げられる。
【００６８】
一方、励起パワーが次第に大きくなると、誘導ラマン散乱光が発生し、単一波長のポンプ・プローブパルスを送ることができなくなる。本発明者の実験によれば、誘導ラマン散乱が起こらない閾値は、励起入力パワーが約５ｍＷまでであった。このため、数ｍＷ以上の励起パワーを入力する場合は、ファイバ径を適宜大きくし、例えばファイバコア径が８μｍ以上の偏波面保存シングルモードファイバ、コア径が１００μｍ以下のマルチモードファイバ、又はいわゆるラージモードエリアファイバ、フォトニッククリスタルラージモードエリアファイバなどを使用することが望ましい。
【００６９】
その際、シングルモードファイバの場合、例えばＮｕｆｅｒｎ社製  ＳＭＦ−２８−Ｊ９などを使用することができ、偏波面保存シングルモードファイバの場合、例えばＮｕｆｅｒｎ社製  ＰＭ１５５０−ＨＰなどを使用することができる。また、ラージモードエリアファイバの場合、例えばＴＨＯＲＬＡＢ社製  Ｐ−１０／１２５ＤＣ，Ｐ−２５／２４０ＤＣ，Ｐ−４０／１４０ＤＣなどを使用することができる。ラージモードエリアフォトニッククリスタルファイバの場合は、例えばＮＫＴ  ＰＨＯＴＯＮＩＣ社製  ＬＭＡ−２０などを使用することができる。エンドレスシングルモードフォトニッククリスタルファイバの場合は、例えばＮＫＴ  ＰＨＯＴＯＮＩＣ社製  ＥＳＭ−１２−０１などを使用することができる。
【００７０】
ここで、シングルモードファイバ３２に偏波面保存シングルモードファイバを使用する場合には、光ファイバ７３の前に、ポンプ光３の偏光面の方向を、ストークス光５の偏光面の方向に一致させるための半波長板７２を配置する。なお、通常のシングルモードファイバを使用する場合は、半波長板７２は不要である。
【００７１】
（光源部１０）
本実施形態の非線形ラマン分光装置６１においては、光源部１０に、第２高調波発生用光学結晶１４が配置されている。そして、この第２高調波発生用光学結晶１４により、レーザ１１から出射した励起光を波長変換してポンプ光としている。具体的には、例えば励起光が１０６４ｎｍの場合、波長変換により５３２ｎｍの緑色光となる。
【００７２】
本実施形態の非線形ラマン分光装置６１では、光ファイバ７３によりポンプ光３の光路長を調整しているため、ストークス光５とのタイミング調整が容易であり、かつ装置を小型化することが可能となる。ＣＡＲＳ分光法では、ポンプ光３とストークス光５とが試料の測定ポイントに同時に到達する必要があるが、光ファイバ７３を使用することにより、容易に、ポンプ光３の光路長と、ストークス光５の光路長とを同じにすることができる。
【００７３】
なお、本実施形態における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
【００７４】
＜３．第３の実施の形態＞
［システムの全体構成］
次に、本開示の第３の実施形態に係る非線形ラマン分光システムについて説明する。図７は本実施形態の非線形ラマン分光システムの構成を示す概念図である。なお、図７においては、図１に示す第１の実施形態の非線形ラマン分光装置１の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００７５】
図７に示すように、本実施形態の非線形ラマン分光システム８１は、前述した第１の実施形態の非線形ラマン分光装置１を備えたシステムであり、ラマン分光装置１の計測部５０に、演算部８０が接続されている。
【００７６】
［演算部８０］
演算部８０には、演算装置である電子計算機と、表示装置などが設けられており、計測部５０の分光器で検出したＣＡＲＳスペクトルの分布を正規化し、その結果などを表示する。以下、正規化のための具体的演算処理方法について説明する。
【００７７】
マルチプレックスＣＡＲＳスペクトルには、縮退４光波混合（２−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分と、非縮退４光波混合（３−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分とが含まれている（Young Jong Lee and Marcus T. Cicerone: “Single-shot interferometric approach to background free broadband coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy”, 5
January 2009 / Vol. 17, No. 1 / OPTICS EXPRESS 123  参照）。
【００７８】
ここで、ＣＡＲＳ分光法では、縮退４光波混合（２−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分はポンプ光とプローブ光が同一波長、ストークス光がそれらと異なる場合で、一般にはこれを狭義の意味でＣＡＲＳスペクトルと呼ばれることが多い。一方、マルチプレックスＣＡＲＳでは、ポンプ光、プローブ光及びストークス光の波長が全て異なる非縮退４光波混合（３−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分が、前述した縮退４光波混合（２−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分と同一のアンチストークスラマン散乱光になる場合がある。
【００７９】
一方、本実施形態の非線形ラマン分光システム８１で使用している非線形ラマン分光装置１では、ポンプ光及びプローブ光が、ストークス光（連続白色光）に比べて、十分狭帯域の線スペクトルと見なせる。このため、縮退４光波混合（２−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分Ｉ２−ｃｏｌｏｒ（ω）は、ポンプ光のパワーＰＰの２乗とストークス光強度分布ＳＳ（ω）の積に比例し、下記数式３で表される。なお、下記数式３におけるωは波数（ｃｍ−１）である。
【００８０】
【数３】
2015222276.tif 000005
【００８１】
また、非縮退４光波混合（３−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分Ｉ３−ｃｏｌｏｒ（ω）は、連続広帯域光のスペクトル内にある２つの波長成分（波数成分）が、ポンプ光及びストークス光の役目を行う。従って、ＣＡＲＳスペクトルは、波数ω，ω´に関するストークス光強度分布の自己相関関数とポンプ光パワーの積に比例すると近似的に考えられ、下記数式４で表される。
【００８２】
【数４】
2015222276.tif 000006
【００８３】
そして、上記数式３と数式４との和は、下記数式５で表される。
【００８４】
【数５】
2015222276.tif 000007
【００８５】
そして、上記数式５から求められるＲＮ（ω）を規格化因子とし、ＣＡＲＳ測定スペクトルＳＣ（ω）を規格化する場合、規格化されたＣＡＲＳスペクトルＳＮ（ω）は、下記数式６で与えられる。
【００８６】
【数６】
2015222276.tif 000008
【００８７】
図８は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、ストークス光強度分布の自己相関関数を示す図である。また、図９は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、ストークス光強度分布を示す図である。なお、図９には数式５に示す規格化因子ＲＮ（ω）も併せて示している。更に、図１０は上記数式６により、厚さが１ｍｍのポリエチレンテレフタレート板のＣＡＲＳスペクトルを規格化した結果を示す図である。
【００８８】
図８〜図１０に示すように、本実施形態の方法により正規化することにより、５００〜１０００ｃｍ−１に表れていた疑似ピークが消滅し、スペクトルのノイズが改善されていることが確認された。なお、図８〜図１０に示すスペクトルは、対物レンズ４５から出射したポンプ光３の入射平均パワーが４ｍＷ、ストークス光５の平均パワーが３ｍＷ、ＣＣＤ検出器の露光時間は３００ｍｓの条件で測定したものである。
【００８９】
このように、演算部８０において、正規化することにより、平坦でないストークス光強度分布がある場合においても、測定されるＣＡＲＳスペクトルの分子振動に対応しない疑似スペクトルピークと混同せず、正確なＣＡＲＳスペクトル強度分布を得ることができる。
【００９０】
また、本実施形態の非線形ラマン分光システム８１により得られるストークス光強度分布は、連続白色光の発生がシングルモードファイバ中のカスケード誘導ラマン散乱に基づくものである。このため、低波域（短波長側）ではシングルモードファイバ内のシリカコア（ＳｉＯ２）によるラマンシフトである約４４０ｃｍ−１おきに、ピークが生じるため、スペクトルは平坦ではない。
【００９１】
一般には、ストークス光発生のシングルモードファイバを出射した光の不要成分を除去するロングパスフィルタのエッジ波長を、ポンプ光より少し長い波長に設定するが、そうすると、比較的スペクトルが平坦となる波長まで長波長側にシフトする。このようにした場合、縮退４光波混合（２−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分の低波数側は、低減または除去されるが、非縮退４光波混合（３−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分は残る。これは、非縮退４光波混合（３−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分が、ストークス光強度分布内の２つの光成分の差の波数が低波数成分を含むからである。
【００９２】
そこで、ストークス光発生用シングルモードファイバ出射後に設けたロングパスフィルタのエッジ波長を設定しておけば、比較的平坦なストークス光強度分布特性を有するところのみを用いて、測定波数領域を損なうことなく良好なＣＡＲＳスペクトルを得ることができる。そのロングパスフィルタのエッジ波長を設定条件は、次のように与えられる。
【００９３】
例えば、ロングパスフィルタの短波長側エッジ波長をλｅ（ｎｍ）、ポンプ光の波長をλｐ（ｎｍ）、測定最大波数をωｍ（ｃｍ−１）としたとき、λｅ（ｎｍ）の条件は、下記数式７で表される。なお、下記数式７におけるλｆは、下記数式８により求められる値であり、波数ω（ｃｍ−１）と波長λ（ｎｍ）との関係は、前述した数式２で表される。また、図１１には上記数式７で表される条件式の導出方法を示す。
【００９４】
【数７】
2015222276.tif 000009
【００９５】
【数８】
2015222276.tif 000010
【００９６】
そして、バンドパスフィルタの場合は、λｅ＜λ＜λｆがバンドパス領域であればよい。ここで、前述した方法により、図８〜１０に示すＣＡＲＳスペクトルについて、ロングパスフィルタのエッジ波長設定を行う。例えば、λｐ＝５３２ｎｍ、ωｍ＝３０００ｃｍ−１とすると、上記数式８よりλｆ＝６３３ｎｍとなる。よって、λｅは、上記数式７から、λｐ（＝５３２ｎｍ）＜λｅ＜５７８ｎｍの範囲にあればよいことがわかる。
【００９７】
そこで、λｅ＝５７５ｎｍとすれば、前述した数式２から、Δω＝｛（１×１０７）／λｅ｝−｛（１×１０７）／λｆ｝＝１５９４ｃｍ−１と、δω＝｛（１×１０７）／λｐ｝−｛（１×１０７）／λｅ｝＝１４０６ｃｍ−１となる。そして、図１１に示すように、Δωとδωとが、下記数式９に示す不等式を満たせば、全波数領域（０〜ωｍ）でＣＡＲＳスペクトルを得ることができる。
【００９８】
【数９】
2015222276.tif 000011
【００９９】
なお、測定には、Ｅｄｍｕｎｄ社製のエッジ波長が５７５ｎｍであるロングパスフィルタを用いた。この場合、非縮退４光波混合（３−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分は、４〜１４０６ｃｍ−１の範囲にあり、縮退４光波混合（２−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）成分は、１４０６〜３０００ｃｍ−１の範囲にある。
【０１００】
このように、平坦でないストークス光領域をロングパスフィルタ又はバンドパスフィルタを用いて除去することで、容易に平坦なストークス光強度分布を有する部分のみを用いるにもかかわらず、測定波数（波長）領域を損なうことなく良好なＣＡＲＳスペクトルが得られる。
【０１０１】
図１２は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、ＬＰＦにより短波長側成分をカットしたストークス光の強度分布を示す図である。また、図１３は図１２に示すストークス光の強度分布に基づいて測定した厚さ１ｍｍのポリエチレンテレフタレート板のＣＡＲＳスペクトルを示す図であり、図１４は厚さ１ｍｍのポリスチレン板のＣＡＲＳスペクトルを示す図である。
【０１０２】
図１３に示すように、ロングパスフィルタを使用していないポリエチレンテレフタレート板のＣＡＲＳスペクトルには、９００ｃｍ−１近傍及び１４００ｃｍ−１近傍に疑似スペクトルピークが見られるが、ロングパスフィルタを使用して測定したＣＡＲＳスペクトルでは、これらの疑似スペクトルが生じず、良好な結果が得られた。
【０１０３】
また、図１４に示すように、ポリスチレン板のＣＡＲＳスペクトルにおいても同様の効果を確認できる。なお、図１４に示すスペクトルにおいて、１０００ｃｍ−１近傍のスペクトルピークは、非縮退４光波混合（３−ｃｏｌｏｒ  ＣＡＲＳ）によるものである。
【０１０４】
＜４．第４の実施の形態＞
［装置の全体構成］
次に、本開示の第４の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図１５は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図１５においては、図１に示す第１の実施形態の非線形ラマン分光装置１の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１０５】
図１５に示すように、本実施形態の非線形ラマン分光装置１００は、光源部１１０に２台のレーザ１１ａ，１１ｂと、パルス発生・遅延器１５が設けられており、ポンプ・プローブ光生成部の代わりに、レーザ１１ｂとパルス発生・遅延器１５とで、ストークス光５とのタイミング調整を行っている。
【０１０６】
［光源部１１０］
光源部１１０に設けられるレーザ１１ａ，１１ｂは、短パルスレーザ光を発生するものであればよく、例えば、小型アクティブＱスイッチ短パルスレーザ励起光源を使用することができる。ＥＯＭやＡＯＭを共振器内に備えたアクティブＱスイッチ短パルスレーザ励起光源は、パッシブＱスイッチ短パルスレーザ励起光源と同様に、安価で小型のものが入手可能である。
【０１０７】
そして、これらの光源は、連続レーザ発振パルス列の制御が外部駆動回路により可能であり、パルス列間の時間ジッター（時間精度）に優れ、時間ジッタを１ｎｓ以下に抑えることができる。一方、パルス発生・遅延器１５は、レーザ１１ａ，１１ｂからのレーザ光のパルス列を制御すると共に、レーザ１１ｂから出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるものである。
【０１０８】
また、レーザ１１ａ，１１ｂから発せられるレーザ光の波長は、同一でも、異なっていてもよい。例えば、レーザ１１ｂを、レーザ１１ａよりも、長波長のパルスレーザ光を発生するものとすることにより、誘導ラマン散乱ピークの鋭い連続白色光スペクトルの領域を回避し、ロングパスフィルタ又はバンドパスフィルタを用いて、比較的平坦なより長波長領域のみを取り出すことができる。具体的には、１０ｎｍ長波長側にシフトしていれば、数１００〜３６００ｃｍ−１のラマンシフトを得ることが可能である。
【０１０９】
更に、ポンプ・プローブ光用のアクティブＱスイッチ短パルスレーザ励起光源（レーザ１１ｂ）の出力は、ストークス光励起用光源（レーザ１１ｂ）に比べて、１桁ぐらい低出力のものでよい。
【０１１０】
ここで、本実施形態の非線形ラマン分光装置１００において、レーザ１１ａ，１１ｂとして使用可能なレーザ光源は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザで、波長が１０６４ｎｍ、１３１９ｎｍ、１１２２ｎｍ又は９４６ｎｍのもの、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザで、波長が１０６４ｎｍ、１３４２ｎｍ又は９１４ｎｍのもの、Ｎｄ：ＹＬＦレーザで、波長が１０５３ｎｍ又は１０４７ｎｍのもの、Ｙｂ：ＹＡＧレーザで波長が１０３０ｎｍのものを用いることができる。
【０１１１】
また、前述した各波長を基本波とした第２高調波発生により、４５７ｎｍ、４７３ｎｍ、５１５ｎｍ、５２３ｎｍ、５２７ｎｍ、５３２ｎｍ、５６１ｎｍ、６６０ｎｍ、６７１ｎｍのＳＨＧ光が得られる。勿論、上記のQスイッチ方式以外にもモード同期方式のＮｄ
：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＬＦ短パルスレーザやＹｂ系ドープファイバー短パルスレーザ、およびそれらの第２高調波などを用いることも可能である。
【０１１２】
一方、誘導ラマン散乱ピーク波長の間隔は、後述するストークス光生成部１３に設けられたシングルモードファイバ３２のファイバコアの主成分であるシリカのラマン散乱によるものである。ここで、シリカのラマンシフトは４４０ｃｍ−１であるため、誘導ラマン散乱ピーク波長の間隔は、これに対応する波長の間隔となり、波長５００〜６００ｎｍでは１１〜１６ｎｍ程度である。
【０１１３】
ここで、具体的に、ポンプ・プローブ光用レーザ光源（レーザ１１ｂ）の波長を、Ｙｂ：ＹＡＧレーザのＳＨＧ光５６１ｎｍとすると、２００〜３６００ｃｍ―１の波数領域を得るには、ストークス光５には、５６７〜７０３ｎｍの連続白色光スペクトルを用いればよい。即ち、ストークス光発生用ファイバ励起用光源（レーザ１１ａ）としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザのＳＨＧ光５３２ｎｍを用いればよい。
【０１１４】
これらレーザ１１ａ，１１ｂのパルス幅は、０．０１〜１０ｎｓであり、パルスピークパワーが１００Ｗ〜１０ｋＷである。レーザ１１ａ，１１ｂのパルス幅は、時間ジッタと同等又はそれ以上のパルス幅にする必要があり、およそ１ｎｓ程度が選ばれる。
【０１１５】
［ストークス光生成部１３０］
本実施形態の非線形ラマン分光装置１００では、前述した第１〜第３の実施形態の非線形ラマン分光装置と同様に、シングルモードファイバ３２、好ましくは偏波面保存シングルモードファイバにより、ストークス光５となる連続白色光（スーパーコンティニューム）を生成している。シングルモードファイバ３２のファイバ長は、２〜２０ｍであることが好ましく、より好ましくは６〜１５ｍである。
【０１１６】
［動作］
次に、本実施形態の非線形ラマン分光装置１００の動作、即ち、非線形ラマン分光装置１００を使用して、試料２のＣＡＲＳスペクトルを測定する方法について説明する。本実施形態の非線形ラマン分光装置１００においては、光源部１０において、レーザ１１ａからストークス光生成用の短パルスレーザ光が、レーザ１１ｂからはポンプ・プローブ光３となる短パルスレーザ光が発生する。
【０１１７】
そして、レーザ１１ａから出射された短パルスレーザ光は、ストークス光生成部１３０に入射して、シングルモードファイバ３２により、連続白色光であるストークス光５に変換される。図１６は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ１２ｍの偏波面保存シングルモードファイバを使用し、平均励起パワーが５０ｍＷのときのストークス光の強度分布を示す図である。図１６に示すように、長波長側に１００ｎｍ以上の平坦なストークス光強度分布が得られる。
【０１１８】
一方、レーザ１１ａから出射された短パルスレーザ光（ポンプ・プローブ光３）は、直接光照射部１４０に導入される。その際、ポンプ・プローブ光３がストークス光５と同時に光照射部１４０に導入されるように、パルス発生・遅延器１５によりそのタイミングが調整される。
【０１１９】
例えば、レーザ１１ａから出射された短パルスレーザ光が、シングルモードファイバ３２内を伝送される時間は、ファイバコアの実効屈折率を１．４６として、Ｔ＝Ｌ／ｃ＝２９〜７３ｎｓであり、時間遅延電子回路で容易にタイミング調整が可能である。このように、ポンプ・プローブ光３よりも数１０ｎｓ遅れて到達するストークス光５を、マルチモードファイバや空間伝送のスペースを取ることなく、ポンプ・プローブ光３専用のアクティブＱスイッチ短パルスレーザ励起光源（レーザ１１ｂ）のＱスイッチを、その分遅らせるだけで、達成できる。
【０１２０】
そして、光照射部１４０に導入されたストークス光５及びポンプ・プローブ光３は、ダイクロックミラー４６やミラー４７，４８によってその光路が変更される。そして、合波されたポンプ・プローブ光３及びストークス光５は、ビームエキスパンダ４２，４３において、対物レンズ４５の入射瞳径に合うようビーム径が拡大された後、対物レンズ４５を介して、試料２に照射される。図１７は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、波長５６１ｎｍのポンプ・プローブ光３のスペクトル及びエッジ波長６０５ｎｍのロングパスフィルタを通過したストークス光５の強度分布を示す図である。
【０１２１】
そして、計測部１５０において、試料２から発せられたＣＡＲＳ光を検出し、ラマンスペクトルを得る。具体的には、試料２から発せられたＣＡＲＳ光を、対物レンズ５１で集光した後、ショートパスフィルタ５２で不要光を遮断した後、例えばマルチモード光ファイバ５４を介して、ＣＣＤなどの検出器５５を備える分光器５３に導入する。
【０１２２】
図１８は横軸に波長をとり、縦軸に強度を取って、図１７に示すストークス光の強度分布を示す図である。図１８に示すように、図１７に示すポンプ・プローブ光３及びストークス光５を用いると、測定可能な範囲は、縮退４光波混合過程のＣＡＲＳ分光を考えた場合、１２００〜３６００ｃｍ−１の広範囲に亘って平坦なストークス光スペクトルを用いたＣＡＲＳ測定をすることができる。更に、前述した非縮退４光波混合過程も考慮すれば、低波数領域〜１２００ｃｍ−１の測定も可能である。即ち、数百〜３６００ｃｍ−１の範囲で測定が可能となる。
【０１２３】
図１９は横軸に波長をとり、縦軸に強度をとって、長さ６ｍの偏波面保存シングルモードファイバを使用し、平均励起パワーが５０ｍＷのときのストークス光の強度分布を示す図である。また、図２０は横軸に波数をとり、縦軸に強度をとって、図１９に示すストークス光５の強度分布をポンプ・プローブ光３の波長５６１ｎｍを基準にしたラマンシフトの波数によって示す図である。ストークス光発生用の励起レーザ光源の波長と、ポンプ・プローブ光用の光源の波長を変える（長波長側にシフトさせる）ことにより、図２０に示すように、図１９に示すストークス光５を用いると、５００〜３０００ｃｍ−１のＣＡＲＳ分光が可能となる。
【０１２４】
以上詳述したように、本実施形態の非線形ラマン分光装置は、２台のレーザを使用し、その間のパルスの発生タイミングをパルス発生・遅延器による電子回路制御しているため、パルスタイミング調整に光学配置の適正やマルチモードファイバなどを用いることなく、電子回路制御により行うことができる。また、波長の異なる２台の短パルスレーザ光源を用い、短波長のものをストークス光励起用、長波長のものをポンプ・プローブ光に用いることで、平坦なストークス光強度分布を有する部分のみを用いて分子振動スペクトルを、低波数領域を損なうことなく、広い範囲にわたって測定可能となる。
【０１２５】
その結果、光路長調整の煩わしさを解消することができ、非線形ラマン分光装置のコンパクト化及び測定の安定化を実現することができる。なお、本実施形態の非線形ラマン分光装置における上記以外の構成及び効果は前述した第１の実施形態と同様である。
【０１２６】
＜５．第４の実施の形態の変形例＞
［装置の全体構成］
次に、本開示の第４の実施形態の変形例に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図２１は本変形例の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図２１においては、図１５に示す第４の実施形態の非線形ラマン分光装置１００の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１２７】
図２１に示すように、本変形例の非線形ラマン分光装置２００では、光照射部１４０に入射したストークス光５と、ポンプ・プローブ光３との時間差を測定する時間差測定部１６０が設けられている。
【０１２８】
［時間差測定部１６０］
時間差測定部１６０には、色分離フィルタ１６１、検出器１６２，１６３、デジタルオシロスコープ１６４などが設けられている。そして、光照射部１４０において、ポンプ・プローブ光３とストークス光５を合波した後、色分離フィルタ１６１で再び分離し、同距離離れた所に設置された高速フォトダイオード検出器１６２，１６３などを用いて、時間差を精度よく検出する。その検出結果は、パルス発生・遅延器１５の時間遅延回路にフィードバックする。
【０１２９】
本変形例の非線形ラマン分光装置２００では、時間差測定部１６０により、ストークス光５とポンプ・プローブ光３との時間差を測定し、パルス発生・遅延器１５にフィードバックしているため、トークス光５とポンプ・プローブ光３とのタイミング精度を、更に上げることができる。なお、本変形例の非線形ラマン分光装置における上記以外の構成及び効果は前述した第４の実施形態と同様である。
【０１３０】
＜６．第５の実施の形態＞
［装置の全体構成］
次に、本開示の第５の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図２２は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図２２においては、図２１に示す第４の実施形態の変形例の非線形ラマン分光装置２００の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１３１】
本実施形態の非線形ラマン分光装置３００は、ストークス光生成部３３０のロングパスフィルタ３３の後段に、音響光学波長可変フィルタ（Acousto-Optic Tunable Filter：ＡＯＴＦ）３５及び検光子３６が配置されている。なお、検光子３６は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）でもよい。これにより、２００〜５００ｃｍ―１のピークのＣＡＲＳスペクトルへの影響を除去することができる。
【０１３２】
［動作］
本実施形態の非線形ラマン分光装置３００では、ＡＯＴＦ３５を用いて、その駆動ドライバの周波数変調を、このピーク強度に反比例した時間だけ、その波長成分に割り当てるように電子回路的に制御（波長掃引）する。これにより、ストークス光強度分布の平坦でない領域の波長成分の試料照射時間を調整し、ＣＣＤ検出器５５の光蓄積時間において、平均強度をそろえる。その結果、実効的に平坦なストークス光強度分布を得ることができる。
【０１３３】
その他にも、ストークス光の強度分布に応じて、波長選択時間やＡＯＴＦの超音波強度を変調することもできる。例えば、ＡＯＴＦ３５の超音波強度を変調する駆動増幅器回路を設けて、ストークス光の強度分布に応じてＡＯＴＦ３５の超音波強度を変調することにより、ＡＯＴＦ３５通過後のストークス光強度分布を平坦化することが可能となる。
【０１３４】
ここで、ＡＯＴＦ３５の指定波長へのアクセス時間は、およそ３０μｓであるから、ＣＣＤ検出器５５の蓄積時間を例えば３ｍｓとすると、十分な応答が可能である。なお、ＡＯＴＦ３５は、この場合、非回折ビームの全てがそのまま通過し、不要な波長成分のみが電気的に選択され、時分割で回折ビームとして排除される。一方、駆動ドライバによっては、時分割でなく、超音波振幅強度の変調により、指定の波長成分のパワーを排除する。これにより、波数２００〜３０００ｃｍ―１において、平坦なストークス光強度分布を用いてＣＡＲＳ分光を行うことができる。
【０１３５】
このように、本実施形態の非線形ラマン分光装置では、ＡＯＴＦを用いて、ストークス光強度分布の平坦でない領域の波長成分の試料照射時間を調整し、ＣＣＤ検出器の光蓄積時間において平均強度を揃えているため、実効的に平坦なストークス光強度分布を得ることができる。なお、本実施形態の非線形ラマン分光装置における上記以外の構成及び効果は、前述した第４の実施形態の変形例と同様である。また、図２２では、時間差測定部１６０が設けられている装置を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１５に示すような時間差測定部がない非線形ラマン分光装置にも本実施形態の構成は適用することができ、その場合も同様の効果が得られる。
【０１３６】
＜７．第６の実施の形態＞
［装置の全体構成］
次に、本開示の第６の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図２３は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図２３においては、図２２に示す第５の実施形態の非線形ラマン分光装置３００の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図２３に示すように、本実施形態の非線形ラマン分光装置４００では、計測部４５０にロックインアンプ５８が設けられている。
【０１３７】
［計測部４５０］
計測部４５０には、対物レンズ５１、ショートパスフィルタ５２、集光レンズ５６、光電子増倍管又はアバランシェフォトダイオードなどの光検出器５７、ロックインアンプ５８、電子計算機５９などが設けられている。そして、試料２から発せられたＣＡＲＳ光は、対物レンズ５１で集光した後、ショートパスフィルタ５２でポンプ光３やストークス光５などの不要光を遮断した後、集光レンズ５６を介して光検出器５７に入射する。また、光検出器５７からの信号は、ロックインアンプ５８に入力され、ロックインアンプ５８から電子計算機５９に出力される。
【０１３８】
［動作］
この非線形ラマン分光装置４００では、単一波長のストークス光を生成するために、連続白色光から、ＡＯＴＦ３５と検光子３６（又はＰＢＳ）を後段に配置し、波長選択又は波長掃引する。ＡＯＴＦ３５は、スペクトル分解能及び分解効率が高く、かつ波長の切り替え（又は掃引速度）も、一般に１０〜１００ｍｓと速い。
【０１３９】
そこで、着目する分子振動スペクトルの振動数に等しいビート周波数になるように、ポンプ光及び選択されたストークス光の波長を決定し、試料２への同時照射を行う。例えば、１つの分子振動スペクトルに着目し、その変化量を高速に測定したり、その分子振動スペクトルの空間分布、即ち、顕微分光イメージングを高速に行ったりすることができる。
【０１４０】
更に、複数の分子振動スペクトルに着目し、ＡＯＴＦにより高速でストークス光の波長選択を行うことができるため、基準となる１つの分子振動スペクトル強度に対するこれらの分子振動スペクトル強度の比を測定したり、イメージングしたりすることも可能である。このような定量比測定やレシオメトリック測定は、分子濃度が不均一であるような生体物質のイメージングなどに特に有用である。
【０１４１】
また、スペクトル全体を測定したい場合は、波長掃引する。このとき、例えばポンプ・プローブ光用アクティブＱスイッチ短パルスレーザ１１ｂ、又はストークス光励起用短パルスレーザ１１ａの繰返しパルス列の同期信号を、ロックインアンプ５８の参照信号として用いる。アクティブＱスイッチ短パルスレーザの繰返し周波数は、一般に１ＫＨｚ〜１ＭＨｚであるため、通常の光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードなどの光検出器を用いることができる。また、ロックインアンプ５８の時定数は、参照信号周波数の１０〜１０００分の一の周波数の逆数に選ばれる。このように信号をロックイン検出することで、ＳＮＲが高く高感度な検出が可能になる。
【０１４２】
この非線形ラマン分光装置４００によるＣＡＲＳ測定では、縮退４光波混合過程しか起こらない。このため、アクティブＱスイッチ短パルスレーザの強度振幅ノイズ、即ち連続パルス列間のピークパワーの変動が大きい場合は、ポンプ・プローブ光３のパワーモニターの光信号強度の２乗で除算、又はストークス光のパワーモニターの光信号で除算したＣＡＲＳ信号を、ロックインアンプ５８に入力すればよい。
【０１４３】
また、アクティブＱスイッチ短パルスレーザの繰返しパルス列の周期は、１〜１０００μｓ程度であり、ＣＡＲＳ過程は０．１〜３０ｐｓ以内に終了する速い過程である。このため、ボックスカー積分器（ゲート積分器）のトリガー信号に、アクティブＱスイッチ短パルスレーザの繰返しパルス列の同期信号を用い、ゲート積分時間を電気的に出来るだけ短い時間、例えば１０ｎｓ未満、好ましくは１ｎｓ未満にすることで、ＳＮＲの高い検出が可能になる。即ち、本実施形態の非線形ラマン分光装置４００では、ＡＯＴＦ３５を用いて、多波長ＣＡＲＳ高感度分光が可能となる。
【０１４４】
なお、前述した第１〜６の実施形態の非線形ラマン分光装置は、例えば顕微分光装置や顕微分光イメージング装置として使用することができる。
【０１４５】
また、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
（１）
短パルスレーザ光を発生する２つの光源と、
該光源の一方から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させるパルス制御部と、
を有する非線形ラマン分光装置。
（２）
前記２つの光源は、短パルスレーザ光を発生する第１の光源と、該第１の光源よりも長波長の短パルスレーザ光を発生する第２の光源であり、
前記パルス制御部は、前記第２の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させる（１）に記載の非線形ラマン分光装置。
（３）
前記第１の光源から出射された短パルスレーザ光からストークス光が生成すると共に、前記第２の光源からの光をポンプ光兼プローブ光とし、
前記パルス制御部により前記第２の光源から出射される短パルスレーザ光を時間遅延させることにより、前記ストークス光とポンプ光兼プローブ光とが同時に測定対象の試料に照射される（２）に記載の非線形ラマン分光装置。
（４）
前記第１の光源から出射された短パルスレーザ光から、連続白色光からなるストークス光を生成するシングルモードファイバを有する（２）又は（３）に記載の非線形ラマン分光装置。
（５）
前記パルス制御部は、前記第２の光源を電気的に制御することにより、短パルスレーザ光を時間遅延させる（２）〜（４）のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置。
（６）
ストークス光と、ポンプ光兼プローブ光とを合波した後で、これらの時間差を検出する時間差測定部を有し、
該時間差測定部での検出結果が前記パルス制御部にフィードバックされる（１）〜（５）のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置。
（７）
前記シングルモードファイバの後段に音響光学波長可変フィルタが配設されている（４）に記載の非線形ラマン分光装置。
（８）
ストークス光の強度分布に応じて、波長選択時間又は前記音響光学可変フィルタの超音波強度を変調する（７）に記載の非線形ラマン分光装置。
（９）
前記音響光学可変フィルタにより、複数の分子振動スペクトルに対応する波長選択を行って、コヒーレント・アンチ・ストークス・ラマン散乱スペクトル強度を測定し、基準スペクトル強度に対する定量比を測定又はイメージングする（７）又は（８）に記載の非線形ラマン分光装置。
（１０）
（１）〜（９）のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光装置。
（１１）
（１）〜（９）のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置を備えた顕微分光イメージング装置。
【符号の説明】
【０１４６】
１，６１、１００、２００、３００、４００  非線形ラマン分光装置
２  試料
３  ポンプ・プローブ光
４  励起パルス光
５  ストークス光
１０、１１０  光源部
２０、７０  ポンプ・プローブ光生成部
３０、１３０  ストークス光生成部
３２  シングルモードファイバ
４０、１４０  光照射部
５０、１５０、４５０  計測部
７３  光ファイバ
８０  演算部
８１  非線形ラマン分光システム
１６０  時間差測定部
【図１】
2015222276.tif 000012
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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