(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された波長の第１のレーザ光を出力する第１のレーザと、出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、前記レーザ光の波長と異なる波長を有する変換光を出力する波長変換素子とを含む波長変換装置において、
前記第１のレーザと前記波長変換素子との間に接続されたファイバグレーティングを備え、
該ファイバグレーティングは、前記固定された波長λ１であって、前記波長変換素子の位相整合帯域内にある波長λ１の反射帯域を有する第１のグレーティングと、前記波長変換素子の位相整合帯域外にあって、
λ２＜λ１−Δλ２／２−ΔλＬＮ  または  λ１＋Δλ２／２＋ΔλＬＮ＜λ２
Δλ１＜ΔλＬＮ
Ｒ１・Ｇ（λ１）＝Ｒ２・Ｇ（λ２）
の関係を有する波長λ２の反射帯域を有する第２のグレーティングとを有し、Ｒ１、Ｒ２は前記第１および第２のグレーティングのそれぞれの反射率、Δλ１、Δλ２は前記第１および第２のグレーティングのそれぞれの半値幅、ΔλＬＮは前記波長変換素子の位相整合帯域、Ｇ（λ）は波長λにおける利得であり、
前記ファイバグレーティングで反射される波長λ１の光と波長λ２の光とが互いにコヒーレンス性を維持しており、前記ファイバグレーティングで反射された波長λ１の光は前記第１のレーザのレーザ発振を安定させるとともに、前記ファイバグレーティングを透過した波長λ１の光は前記波長変換素子により前記変換光に変換され、前記ファイバグレーティングで反射された波長λ２の光は前記第１のレーザのレーザ発振を安定させるとともに、前記ファイバグレーティングを透過した波長λ２の光は前記波長変換素子をそのまま透過することを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記波長変換素子は、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
レーザ光を出射する光源と被測定物からの前記レーザ光による蛍光を検出する検出手段とを含み、生細胞中の蛍光タンパク質を分析する蛍光顕微鏡装置において、前記光源は、
固定された波長の第１のレーザ光を出力する第１のレーザと、
出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと、
周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、前記レーザ光の波長と異なる波長を有するコヒーレント光を出力する波長変換素子と、
前記第１のレーザと前記波長変換素子との間に接続されたファイバグレーティングを備え、
該ファイバグレーティングは、前記固定された波長λ１であって、前記波長変換素子の位相整合帯域内にある波長λ１の反射帯域を有する第１のグレーティングと、前記波長変換素子の位相整合帯域外にあって、
λ２＜λ１−Δλ２／２−ΔλＬＮ  または  λ１＋Δλ２／２＋ΔλＬＮ＜λ２
Δλ１＜ΔλＬＮ
Ｒ１・Ｇ（λ１）＝Ｒ２・Ｇ（λ２）
の関係を有する波長λ２の反射帯域を有する第２のグレーティングとを有し、Ｒ１、Ｒ２は前記第１および第２のグレーティングのそれぞれの反射率、Δλ１、Δλ２は前記第１および第２のグレーティングのそれぞれの半値幅、ΔλＬＮは前記波長変換素子の位相整合帯域、Ｇ（λ）は波長λにおける利得であり、
前記ファイバグレーティングで反射される波長λ１の光と波長λ２の光とが互いにコヒーレンス性を維持しており、前記ファイバグレーティングで反射された波長λ１の光は前記第１のレーザのレーザ発振を安定させるとともに、前記ファイバグレーティングを透過した波長λ１の光は前記波長変換素子により前記変換光に変換され、前記ファイバグレーティングで反射された波長λ２の光は前記第１のレーザのレーザ発振を安定させるとともに、前記ファイバグレーティングを透過した波長λ２の光は前記波長変換素子をそのまま透過することを特徴とする蛍光顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換装置および蛍光顕微鏡装置に関し、より詳細には、出力光のノイズを抑制することができる波長変換装置およびこれを用いた蛍光顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換素子の実用化が求められている。従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換装置の構成を示す。波長変換装置は、波長λＡの信号光Ａを出力する半導体レーザ１１と、波長λＢの制御光Ｂを出力する半導体レーザ１２と、信号光Ａと制御光Ｂとを合波して出力する光カプラ１４と、合波された信号光Ａと制御光Ｂとを入力し、波長λＣの変換光Ｃを出力する波長変換素子１３とから構成されている。半導体レーザ１１，１２には、それぞれ駆動回路１１ａ，１２ａと温度制御回路１１ｂ，１２ｂとが接続されている。さらに、半導体レーザ１１と光カプラ１４との間には、ファイバグレーティング１５が挿入されている。
【０００４】
変換光Ｃの強度は、信号光Ａと制御光Ｂの強度の積に比例するので、制御光Βを一定強度にしておけば、信号光Ａから変換光Ｃへ波長のみを変換することができる。例えば、λＡ＝１．５５μｍ、λＢ＝０．９８μｍのとき、和周波としてλＣ＝０．６０μｍが得られる。また、λＡ＝１．３１μｍ、λＢ＝１．０６μｍのとき、和周波としてλＣ＝０．５９μｍが得られる。さらに、λＡ＝１．５５μｍ、λＢ＝０．７７μｍのとき、差周波としてλＣ＝１．５３μｍが得られる。従って、特定の波長を得るためには、信号光Ａと制御光Ｂの波長を厳密に制御する必要がある。
【０００５】
また、図２に、第二高調波発生により０．５９μｍの黄色光を得るために、波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す。波長変換素子の位相整合帯域は、非常に狭いために、変換光を安定して出力させるためには、単一モードで発振する半導体レーザであることが望ましい。
【０００６】
１．５５μｍ、１．３１μｍの波長は、光通信で使われている長波長帯であり、半導体レーザとして、ＤＦＢレーザダイオードのような単一波長で発振するレーザダイオードを用いることができる。一方、０．９８μｍ、１．０６μｍ、０．７７μｍの短波長帯の波長は、ＤＦＢレーザダイオードを作製するのは大変難しくかつ需要も少ないので、半導体レーザとして通常多モード発振のレーザダイオードを用いている。そこで、特定の波長のみを一部反射するファイバグレーティングを、半導体レーザの出力に接続し、出力光の一部を半導体レーザに再注入することにより、発振波長をグレーティング波長で発振するように制御している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４０２１４号公報
【非特許文献１】A. Ferrari, et al., “Subkilohertz Fluctuations and Mode Hopping in High-Power Grating-Stabilized 980-nm Pumps,” IEEE J. of Lightwave Tech., vol.20, pp.515-518, 2002/3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、半導体レーザとファイバグレーティングとを組み合わせても、ある動作条件ではコヒーレント・コラプスと呼ばれる不安定領域が存在し、時間的にその出力が変動する状態が起こることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。コヒーレント・コラプスにより、波長変換光に出力変動が印加され、ノイズを発生するという問題があった。
【０００９】
図３に、従来の半導体レーザとファイバグレーティングとを組み合わせた光源の出力スペクトルを示す。時間的な出力変動が不連続な出力スペクトルとして表れていることがわかる。この状態を連続的に測定して、最大値をホールドした結果を図４に示し、最小値をホールドして結果を図５に示す。さらに、図６に、出力パワーの時間変動を示す。このように最大値と最小値とが連続したスペクトルとなっていることから、この光源の出力は、最大値と最小値との間をｍｓｅｃオーダで時々刻々変化していることがわかる。従って、半導体レーザとファイバグレーティングとを組み合わせた光源を用いた波長変換装置から出力される変換光にも、同様なノイズが発生してしまう。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、出力光のノイズを抑制することができる波長変換装置およびこれを用いた蛍光顕微鏡装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、固定された波長の第１のレーザ光を出力する第１のレーザと、出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、前記レーザ光の波長と異なる波長を有する変換光を出力する波長変換素子とを含む波長変換装置において、前記第１のレーザと前記波長変換素子との間に接続されたファイバグレーティングを備え、該ファイバグレーティングは、前記固定された波長λ１であって、前記波長変換素子の位相整合帯域内にある波長λ１の反射帯域を有する第１のグレーティングと、前記波長変換素子の位相整合帯域外にあって、
λ２＜λ１−Δλ２／２−ΔλＬＮ  または  λ１＋Δλ２／２＋ΔλＬＮ＜λ２
Δλ１＜ΔλＬＮ
Ｒ１・Ｇ（λ１）＝Ｒ２・Ｇ（λ２）
の関係を有する波長λ２の反射帯域を有する第２のグレーティングとを有し、Ｒ１、Ｒ２は前記第１および第２のグレーティングのそれぞれの反射率、Δλ１、Δλ２は前記第１および第２のグレーティングのそれぞれの半値幅、ΔλＬＮは前記波長変換素子の位相整合帯域、Ｇ（λ）は波長λにおける利得であり、前記ファイバグレーティングで反射される波長λ１の光と波長λ２の光とが互いにコヒーレンス性を維持しており、前記ファイバグレーティングで反射された波長λ１の光は前記第１のレーザのレーザ発振を安定させるとともに、前記ファイバグレーティングを透過した波長λ１の光は前記波長変換素子により前記変換光に変換され、前記ファイバグレーティングで反射された波長λ２の光は前記第１のレーザのレーザ発振を安定させるとともに、前記ファイバグレーティングを透過した波長λ２の光は前記波長変換素子をそのまま透過することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記波長変換素子は、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、レーザ光を出射する光源と被測定物からの前記レーザ光による蛍光を検出する検出手段とを含み、生細胞中の蛍光タンパク質を分析する蛍光顕微鏡装置において、前記光源は、固定された波長の第１のレーザ光を出力する第１のレーザと、出力される第２のレーザ光の波長を可変することができる第２のレーザと、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、前記レーザ光の波長と異なる波長を有するコヒーレント光を出力する波長変換素子と、前記第１のレーザと前記波長変換素子との間に接続されたファイバグレーティングを備え、該ファイバグレーティングは、前記固定された波長λ１であって、前記波長変換素子の位相整合帯域内にある波長λ１の反射帯域を有する第１のグレーティングと、前記波長変換素子の位相整合帯域外にあって、
λ２＜λ１−Δλ２／２−ΔλＬＮ  または  λ１＋Δλ２／２＋ΔλＬＮ＜λ２
Δλ１＜ΔλＬＮ
Ｒ１・Ｇ（λ１）＝Ｒ２・Ｇ（λ２）
の関係を有する波長λ２の反射帯域を有する第２のグレーティングとを有し、Ｒ１、Ｒ２は前記第１および第２のグレーティングのそれぞれの反射率、Δλ１、Δλ２は前記第１および第２のグレーティングのそれぞれの半値幅、ΔλＬＮは前記波長変換素子の位相整合帯域、Ｇ（λ）は波長λにおける利得であり、前記ファイバグレーティングで反射される波長λ１の光と波長λ２の光とが互いにコヒーレンス性を維持しており、前記ファイバグレーティングで反射された波長λ１の光は前記第１のレーザのレーザ発振を安定させるとともに、前記ファイバグレーティングを透過した波長λ１の光は前記波長変換素子により前記変換光に変換され、前記ファイバグレーティングで反射された波長λ２の光は前記第１のレーザのレーザ発振を安定させるとともに、前記ファイバグレーティングを透過した波長λ２の光は前記波長変換素子をそのまま透過することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、レーザの発振波長とは別の波長に反射帯域を有するファイバグレーティングを備えたので、波長変換装置から出力される変換光の出力変動、すなわちノイズを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態においては、ファイバグレーティング（波長λ１、反射率Ｒ１、半値幅Δλ１）を接続した半導体レーザの動作を安定化させるため、新たに、半導体レーザの発振波長とは別の波長に反射帯域を有するファイバグレーティング（波長λ２、反射率Ｒ２、半値幅Δλ２）を接続する。
【００１８】
半導体レーザの出力に時間的な変動があるということは、発振しているキャリア密度で変動が生じやすいことを表している。そこで、変動するキャリア密度を、さらに安定化することが好ましい。そのためには、新たに別の波長でも発振させることにより、キャリア密度を安定させ、かつ波長変換光に必要となる波長λ１での発振も維持しておく必要がある。
【００１９】
レーザの発振条件は模式的に、
Ｒｆ・Ｒｒ・Ｇ（λＬＤ）＝１
で決まる。ここで、Ｒｆは半導体レーザの前面の反射率、Ｒｒは半導体レーザの後面の反射率、Ｇ（λＬＤ）は発振波長λＬＤにおける利得を表す。半導体レーザにファイバグレーティングを取り付けて発振させるために、Ｒｆ≦Ｒ１、Ｒ２であることから、概算的にＦＢＧで決まる発振条件は、
Ｒ１・Ｒｒ・Ｇ（λ１）＝１
Ｒ２・Ｒｒ・Ｇ（λ２）＝１
とならなければならない。ここで、Ｇ（λ１）とＧ（λ２）とは、波長λ１とλ２における利得を表す。従って、
Ｒ１・Ｇ（λ１）＝Ｒ２・Ｇ（λ２）
を満たさなければならない。さらに、波長λ２を、他方のファイバグレーティングの半値幅の外側とする必要があるので、
λ２＜λ１−Δλ２／２−Δλ１／２  または  λ１＋Δλ２／２＋Δλ１／２＜λ２
を満たす必要がある。
【００２０】
波長変換素子を用いた波長変換装置において、発振条件は、ロスを考慮すると、
Ｒ１・Ｇ（λ１）＝Ｒ２・Ｇ（λ２）
を満たす必要がある。さらに、波長λ２を、他方のファイバグレーティングの半値幅と、波長変換素子の位相整合帯域ΔλＬＮの外側とする必要があるので、
λ２＜λ１−Δλ２／２−ΔλＬＮ  または  λ１＋Δλ２／２＋ΔλＬＮ＜λ２
Δλ１＜ΔλＬＮ
Ｒ１・Ｇ（λ１）＝Ｒ２・Ｇ（λ２）
を満たす必要がある。
【００２１】
このようにして安定化された半導体レーザを用いることにより、波長変換装置から出力される変換光の出力変動、すなわちノイズを抑制することができる。
【実施例１】
【００２２】
図７に、本発明の実施例１にかかる、安定化された半導体レーザを用いた波長変換装置の構成を示す。波長変換装置は、波長λＡ（９７６．４ｎｍ）の信号光Ａを出力する半導体レーザ５１と、波長λＢ（１３０７ｎｍ）の制御光Ｂを出力する半導体レーザ５２と、信号光Ａと制御光Ｂとを合波して出力する光カプラ５４と、合波された信号光Ａと制御光Ｂとを入力し、波長λＣの変換光Ｃを出力する波長変換素子５３とから構成されている。半導体レーザ５１，５２には、それぞれ駆動回路５１ａ，５２ａと温度制御回路５１ｂ，５２ｂとが接続されている。
【００２３】
波長変換素子５３は、周期的な分極反転構造を有する非線形光学結晶を備え、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している非線形光学結晶を用いることができる。さらに、波長変換素子５３は、波長変換効率を高めるために、導波路構造としてもよい。
【００２４】
半導体レーザ５１と光カプラ５４との間には、ファイバグレーティング５５，５６が挿入されている。ファイバグレーティング５５は、波長λ１＝９７６．４ｎｍ、反射率Ｒ１＝８％、半値幅Δλ１＝２０ｐｍであり、ファイバグレーティング５６は、波長λ２＝９７５．１ｎｍ、反射率Ｒ２＝５％、半値幅Δλ２＝５０ｐｍである。波長変換素子５３の位相整合帯域ΔλＬＮは０．２ｎｍである。
【００２５】
図８に、実施例１における波長変換装置の変換光の出力スペクトルを示す。ファイバグレーティング５６を設けることにより、波長λ１（９７６．４ｎｍ）と波長λ２（９７５．１ｎｍ）とで発振していることがわかる。波長λ２とλ１のサイドにピークが立っているのは、ビートである。このとき、波長λ２は、波長変換素子５３の位相整合帯域ΔλＬＮの外側にあるので（λ１＋Δλ２／２＋ΔλＬＮ＜λ２）、非線形光学効果による波長変換には寄与しない。波長λ２による発振光とビート光とは、半導体レーザ５１の安定動作のみに寄与する。半導体レーザ５１は、２つの波長で発振しているので、たとえ波長λ１の発振が不安定になっても、波長λ２で発振が生じていることにより、波長変換光も安定となる。
【００２６】
図９に、実施例１における波長変換装置の出力パワーの時間変動を示す。波長変換装置から出力される波長５６０ｎｍの変換光の出力パワーの時間変動を示す。図６に示した従来の波長変換装置と比較すると、出力変動に対する安定度を１０６倍程度まで高めることができる。
【実施例２】
【００２７】
図１０に、本発明の実施例２にかかる、安定化された半導体レーザを用いた波長変換装置の構成を示す。実施例１において、ファイバグレーティング５５，５６の挿入位置を入れ替えた構成である。実施例２においても、図８，９に示したのと同様に、安定した変換光を出力することができる。
【実施例３】
【００２８】
図１１に、本発明の実施例３にかかる、安定化された半導体レーザを用いた波長変換装置の構成を示す。実施例３では、２波長に反射ピークを有するファイバグレーティング５７を用いる。ファイバグレーティング５７は、例えば、異なる２種類のグレーティング周期の屈折率変化を有する。従って、実施例１，２と同様に、２つのファイバグレーティングを挿入した構成となり、実施例３においても、図８，９に示したのと同様に、安定した変換光を出力することができる。
【実施例４】
【００２９】
図１２に、本発明の一実施形態にかかる蛍光顕微鏡装置の構成を示す。蛍光顕微鏡装置は、光源として図７に示した実施例１にかかる波長変換装置を組み込み、光源からの可視光を、レンズ１０１５、ダイクロイックミラー１０１３および対物レンズ１０１４からなる光学系を介して、被測定物１０１６に照射する。被測定物からの蛍光出力は、対物レンズ１０１４、ダイクロイックミラー１０１３およびプリズム１０１２を介して、高感度カメラ１０１１により観察される。
【００３０】
本実施形態によれば、変調機能を有し、実用的な光強度を有する可視光源を作製することができるので、他のタンパク質の遺伝子に融合させて細胞に導入させた蛍光タンパク（ＧＦＰ）の観察に用いると、生きた細胞において特定の構造体、または機能分子を高感度に蛍光ラベルすることができる。
【００３１】
なお、実施例１〜４にかかる光源は、ＣＷ光を出力する他に、直接変調によりＯＮ／ＯＦＦ信号を重畳することもできる。図１３を参照して、波長変換装置の半導体レーザの変調方式を説明する。波長変換装置の半導体レーザ５１（０．９８μｍ帯）は、従来、λ１の発振を起こさせるために、レーザの駆動電流を固定にして電圧駆動を行っていた。本実施形態では、閾値Ｉｔｈより低い電流値から高出力の出る電流値までパルス状に変化させて、ＯＮ／ＯＦＦ信号を重畳すると、波長変換光に、安定的にＯＮ／ＯＦＦ信号を重畳することができる。本実施形態では、電流駆動することにより、任意波形、任意パターンの信号を波長変換光に重畳することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換装置の構成を示す図である。
【図２】第二高調波発生により波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す図である。
【図３】従来の半導体レーザとファイバグレーティングとを組み合わせた光源の出力スペクトルを示す図である。
【図４】ＤＦＢレーザダイオードの出力スペクトルの最大値を示す図である。
【図５】ＤＦＢレーザダイオードの出力スペクトルの最小値を示す図である。
【図６】従来のＤＦＢレーザダイオードの出力パワーの時間変動を示す図である。
【図７】本発明の実施例１にかかる、安定化された半導体レーザを用いた波長変換装置の構成を示す図である。
【図８】実施例１における波長変換装置の変換光の出力スペクトルを示す図である。
【図９】実施例１における波長変換装置の出力パワーの時間変動を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２にかかる、安定化された半導体レーザを用いた波長変換装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施例３にかかる、安定化された半導体レーザを用いた波長変換装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態にかかる蛍光顕微鏡装置の構成を示す図である。
【図１３】波長変換装置の半導体レーザの変調方式を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１，１２，５１，５２  半導体レーザ
１１ａ，１２ａ，５１ａ，５２ａ  駆動回路
１１ｂ，１２ｂ，５１ｂ，５２ｂ  温度制御回路
１３，５３  波長変換素子
１４，５４  光カプラ
１５，５５，５６，５７  ファイバグレーティング
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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