(57)【要約】  容易にパルスレーザ光のタイミングを調整することができるパルスレーザ光のタイミング調整装置、タイミング調整方法、及び光学顕微鏡を提供すること。  本発明にかかる光学顕微鏡は、ビームサンプラー１５、１６で取り出された光ビームから、第１のパルスレーザ光ω１が第２のパルスレーザ光ω２から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、第２のパルスレーザ光ω２が第１の波長のパルスレーザ光から遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成するミラーペア２１、３１と、非線形光学効果に基づく第１の検出信号、及び第２の検出信号を出力する第１の検出器２３、及び第２の検出器３３と、第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいてタイミングを調整するタイミング調整手段４２とを備えるものである。
2007132540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整装置であって、
第１のパルスレーザ光を出射する第１のパルスレーザ光源と、
第２のパルスレーザ光を出射する第２のパルスレーザ光源と、
前記第１のパルスレーザ光の一部、及び第２のパルスレーザ光の一部を取り出すビームサンプラーと、
前記ビームサンプラーで取り出された光ビームから、前記第１のパルスレーザ光が前記第２のパルスレーザ光から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、前記第２のパルスレーザ光が前記第１のパルスレーザ光から遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成するタイミング遅延手段と、
前記第１のタイミング調整用光ビームを受光する第１の検出器であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第１の検出信号を出力する第１の検出器と、
前記第２のタイミング調整用光ビームを受光する第２の検出器であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第２の検出信号を出力する第２の検出器と、
前記第１の検出器からの第１の検出信号と前記第２の検出器からの第２の検出信号とに基づいて、前記第１のパルスレーザ光源と前記第２のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するタイミング調整手段とを備えるパルスレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項２】
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成する光合成手段をさらに備え、
前記ビームサンプラーが前記光合成手段によって合成された合成光の一部を取り出し、
前記第１のパルスレーザ光源が第１の波長のパルスレーザ光を出射し、
前記第２のパルスレーザ光源が第２の波長のパルスレーザ光を出射し、
前記タイミング遅延手段が
前記第１の波長に対する反射率が前記第２の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第１の波長のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、
前記第２の波長に対する反射率が前記第１の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第２の波長のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第２のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項１に記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項３】
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成する光合成手段をさらに備え、
前記ビームサンプラーが前記光合成手段によって合成された合成光の一部を取り出し、
前記第１のパルスレーザ光源が第１の波長のパルスレーザ光を出射し、
前記第２のパルスレーザ光源が第２の波長のパルスレーザ光を出射し、
前記タイミング遅延手段が
正の群速度分散を有する第１の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、
負の群速度分散を有する第２の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項１に記載のレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項４】
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との偏光状態の違いに基づいて第１のパルスレーザ光、又は第２のパルスレーザ光を遅れさせることにより、前記第１、及び第２のタイミング調整用光ビームを生成する請求項１に記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項５】
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分に基づく差分信号を出力する差動増幅器と、
前記差動増幅器からの差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行う請求項１乃至４のいずれかに記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置を備え、
前記タイミング調整装置によってタイミングが調整された前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを試料に照射する光学顕微鏡。
【請求項７】
複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整方法であって、
第１のパルスレーザ光、及び第２のパルスレーザ光を出射するステップと、
前記第１のパルスレーザ光の一部、及び前記第２のパルスレーザ光の一部を取り出すステップと、
前記取り出された光ビームから、前記第１のパルスレーザ光が前記第２のパルスレーザ光から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、前記第２のパルスレーザ光が前記第１のパルスレーザ光から遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成するステップと、
前記第１のタイミング調整用光ビームを第１の検出器に受光させて、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第１の検出信号を出力するステップと、
前記第２のタイミング調整用光ビームを第２の検出器に受光させて、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第２の検出信号を出力するステップと、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とに基づいて、前記第１のパルスレーザ光源と前記第２のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するステップとを有するパルスレーザ光のタイミング調整方法。
【請求項８】
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成するステップをさらに備え、
パルスレーザ光を出射するステップでは、第１の波長の前記第１のパルスレーザ光と、第２の波長の前記第２のパルスレーザ光を出射し、
前記取り出すステップでは前記第１の波長のパルスレーザ光と前記第２の波長のパルスレーザ光とが合成された合成光の一部を取り出し、
前記タイミングを遅延するステップでは、
前記第１の波長に対する反射率が前記第２の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第１のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、
前記第２の波長に対する反射率が前記第１の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第２のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第２のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項７に記載のパルスレーザ光のタイミング調整方法。
【請求項９】
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成するステップをさらに備え、
パルスレーザ光を出射するステップでは、第１の波長の前記第１のパルスレーザ光と、第２の波長の前記第２のパルスレーザ光を出射し、
前記取り出すステップでは前記第１の波長のパルスレーザ光と前記第２の波長のパルスレーザ光とが合成された合成光の一部を取り出し、
前記タイミングを遅延するステップでは、
正の群速度分散を有する第１の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、
負の群速度分散を有する第２の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項７に記載のレーザ光のタイミング調整方法。
【請求項１０】
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との偏光状態の違いに基づいて第１のパルスレーザ光、又は第２のパルスレーザ光を遅れさせることにより、前記第１、及び第２のタイミング調整用光ビームを生成する請求項７に記載のパルスレーザ光のタイミング調整方法。
【請求項１１】
前記タイミングを調整するステップでは、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分に基づく差分信号を出力し、
前記差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行っている請求項７乃至１０のいずれかに記載のパルスレーザ光のタイミング調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザ光の調整装置、調整方法、及び光学顕微鏡に関し、特に詳しくは、複数のパルスレーザ光のタイミングを調整する調整装置、調整方法、及び光学顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＡＲＳ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｔｉｎｇ）顕微鏡は、無染色かつ高分解に生体試料を観測することができる顕微鏡として注目されている。ＣＡＲＳ分光では波長の異なる２つのレーザ光を入射して、入射光の周波数差が分子の固有振動数に一致した際に生じる散乱光を観測する。すなわち、ＣＡＲＳ顕微鏡では、波長の異なる２つのレーザ光を入射したときに発生する、非線形光学効果に基づいて分光イメージングを実現している。【０００３】
この非線形光学効果を効率よく起こすには、高いピークパワーを持つ超短パルスレーザを用いる必要がある。また、観測する分子振動の周波数は数ｃｍ−１であるため、レーザにも３〜５ｃｍ−１のスペクトル幅が要求され、フーリエ変換限界から３〜５ｐｓｅｃの時間幅を持つパルスレーザが最適とされる。【０００４】
このような、２台の超短パルスレーザ光を時間的、空間的に重ね合わせて入射することにより、非線形光学効果が引き起こされる。しかしながら、市販されているレーザ同期システムでは、約１ｐｓｅｃの時間的な揺らぎ（タイミングジッター）が生じてしまう。ＣＡＲＳは多光子過程であり、その信号強度は、入射パルス強度に依存している。従って、2つのパルスレーザ光のタイミングジッターは、信号の揺らぎ、すなわちイメージの劣化を引き起こす。タイミングジッターをｆｓｅｃオーダーにまで抑えるとともに、熟練した操作を要するＣＡＲＳイメージングのための安定な高精度同期自動制御システムの開発が望まれている。【０００５】
パルスレーザ光を高精度に同期させる技術が開示されている（非特許文献１、２参照）。非線形光学結晶を用いた非特許文献１では、和周波を利用してパルスを差動検出している。そして、ジッターをアト秒領域まで、抑えることに成功している。また、非特許文献２では、光パルスを高速なフォトダイオードで検出している。そして、その１７５次成分を用いて電気的に２台のピコ秒レーザ間の時間差を求め、ジッターを約２１ｆｓｅｃまで抑えることに成功している。
【非特許文献１】Ｔ．Ｒ．Ｓｃｈｉｂｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，２８，（２００３）ｐｐ９４７−９４９
【非特許文献２】Ｄ．Ｊ．Ｊｏｎｅｓ  ｅｔ  ａｌ．，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔ．，７３，（２００２）ｐｐ２８４３−２８４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の技術では、以下に示す問題点がある。例えば、非特許文献１では、フェムト秒レーザに対して制御を行っているため、ピコ秒レーザに適用した場合、位相整合条件によって使用可能な波長が限定されてしまう。また、非特許文献２では高周波回路を用いるため、動作を安定させることが困難であり、外乱に弱いといった問題点がある。すなわち、高周波回路が必要となるため、装置を簡便な構成にすることが困難である。また、電子回路の温度特性などにより、室温が変化すると同期がずれるという問題点もある。【０００７】
このように従来のパルスレーザ光の同期装置では、容易に同期させることが困難であるという問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、容易にパルスレーザ光のタイミングを調整することができるパルスレーザ光のタイミング調整装置、タイミング調整方法、及び該調整装置を用いた光学顕微鏡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】
【０００８】
本発明の第１の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整装置であって、第１のパルスレーザ光を出射する第１のパルスレーザ光源（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１のパルスレーザ光源１１）と、第２のパルスレーザ光を出射する第２のパルスレーザ光源（例えば、本発明の実施の形態にかかる第２のパルスレーザ光源１２）と、前記第１のパルスレーザ光の一部、及び第２のパルスレーザ光の一部を取り出すビームサンプラー（例えば、本発明の実施の形態にかかるビームサンプラー１５、１６）と、前記ビームサンプラーで取り出された光ビームから、前記第１のパルスレーザ光が前記第２のパルスレーザ光から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、前記第２のパルスレーザ光が前記第１のパルスレーザ光から遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成するタイミング遅延手段（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１のミラーペア２１、及び第２のミラーペア３１）と、前記第１のタイミング調整用光ビームを受光する第１の検出器であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第１の検出信号を出力する第１の検出器（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１の検出器２３）と、前記第２のタイミング調整用光ビームを受光する第２の検出器であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第２の検出信号を出力する第２の検出器（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１のパルスレーザ光源１１）と、前記第１の検出器からの第１の検出信号と前記第２の検出器からの第２の検出信号とに基づいて、前記第１のパルスレーザ光源と前記第２のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するタイミング調整手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるタイミング調整手段４２）とを備えるものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。【０００９】
本発明の第２の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成する光合成手段（例えば、本発明の実施の形態にかかる光合成手段１４）をさらに備え、前記ビームサンプラーが前記光合成手段によって合成された合成光の一部を取り出し、前記第１のパルスレーザ光源が第１の波長のパルスレーザ光を出射し、前記第２のパルスレーザ光源が第２の波長のパルスレーザ光を出射し、前記タイミング遅延手段が、前記第１の波長に対する反射率が前記第２の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第１のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、前記第２の波長に対する反射率が前記第１の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第２のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第２のタイミング調整用光ビームを生成する、ものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。
本発明の第３の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成する光合成手段をさらに備え、前記ビームサンプラーが前記光合成手段によって合成された合成光の一部を取り出し、前記第１のパルスレーザ光源が第１の波長のパルスレーザ光を出射し、前記第２のパルスレーザ光源が第２の波長のパルスレーザ光を出射し、前記タイミング遅延手段が正の群速度分散を有する第１の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、負の群速度分散を有する第２の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成する、ものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。【００１０】
本発明の第４の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを偏光状態の違いに基づいて第１のパルスレーザ光、又は第２のパルスレーザ光を遅れさせることにより、前記第１、及び第２のタイミング調整用光ビームを生成するものである。これにより、同じ波長のパルスレーザ光に対してもタイミングを調整することができる。
本発明の第５の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分に基づく差分信号を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器からの差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行うものである。これにより、安定してタイミングを調整することができる。【００１１】
本発明の第６の態様にかかる光学顕微鏡は、上記のパルスレーザ光のタイミング調整装置を備え、前記タイミング調整装置によってタイミングが調整された前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを試料に照射するものである。これにより、安定した観察が可能となる。【００１２】
本発明の第７の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整方法は、複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整方法であって、第１のパルスレーザ光、及び第２のパルスレーザ光を出射するステップと、前記第１のパルスレーザ光の一部、及び前記第２のパルスレーザ光の一部を取り出すステップと、前記取り出された光ビームから、前記第１のパルスレーザ光が前記第２のパルスレーザ光から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、前記第２のパルスレーザ光が前記第１のパルスレーザ光から遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成するステップと、前記第１のタイミング調整用光ビームを第１の検出器に受光させて、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第１の検出信号を出力するステップと、前記第２のタイミング調整用光ビームを第２の検出器に受光させて、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に基づく第２の検出信号を出力するステップと、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とに基づいて、前記第１のパルスレーザ光源と前記第２のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するステップとを有するものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。【００１３】
本発明の第８の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整方法は、上述のタイミング調整方法であって、前記第１の波長のパルスレーザ光と前記第２の波長のパルスレーザ光とを合成する前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成するステップをさらに備え、パルスレーザ光を出射するステップでは、第１の波長の前記第１のパルスレーザ光と、第２の波長の前記第２のパルスレーザ光を出射し、前記取り出すステップでは前記第１の波長のパルスレーザ光と前記第２の波長のパルスレーザ光とが合成された合成光の一部を取り出し、前記タイミングを遅延するステップでは、前記第１の波長に対する反射率が前記第２の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第１のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、前記第２の波長に対する反射率が前記第１の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第２のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第２のタイミング調整用光ビームを生成するものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。
本発明の第９の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整方法は、上述のタイミング調整方法であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成するステップをさらに備え、パルスレーザ光を出射するステップでは、第１の波長の前記第１のパルスレーザ光と、第２の波長の前記第２のパルスレーザ光を出射し、前記取り出すステップでは前記第１の波長のパルスレーザ光と前記第２の波長のパルスレーザ光とが合成された合成光の一部を取り出し、前記タイミングを遅延するステップでは、正の群速度分散を有する第１の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、負の群速度分散を有する第２の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成するものである。これにより、容易にタイミングを調整することができる。
本発明の第１０の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整装置であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを偏光状態の違いに基づいて第１のパルスレーザ光、又は第２のパルスレーザ光を遅れさせることにより、前記第１、及び第２のタイミング調整用光ビームを生成するものである。これにより、同じ波長のパルスレーザ光に対してもタイミングを調整することができる。【００１４】
本発明の第１１の態様にかかるパルスレーザ光のタイミング調整装置は、上述のタイミング調整方法であって、前記タイミングを調整するステップでは、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分に基づく差分信号を出力し、前記差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行っているものである。これにより、タイミング調整を安定して行なうことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、容易にパルスレーザ光のタイミングを調整することができるパルスレーザ光のタイミング調整装置、タイミング調整方法、及び該調整装置を用いた光学顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明にかかる光学顕微鏡においてパルスレーザ光を同期させるためのバランス相互相関器の構成を模式的に示す図である。
【図３Ａ】バランス相互相関器におけるパルスレーザ光の光強度を示す図である。
【図３Ｂ】バランス相互相関器におけるパルスレーザ光の光強度を示す図である。
【図４Ａ】バランス相互相関器におけるパルスレーザ光の光強度を示す図である。
【図４Ｂ】バランス相互相関器におけるパルスレーザ光の光強度を示す図である。
【図５】差分信号、第１の検出信号、及び第２の検出信号を示す図である。
【図６】本発明にかかる光学顕微鏡に用いられるタイミング調整手段の別の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１１  第１のパルスレーザ光源１１  第２のパルスレーザ光源、１３  ミラー、
１４  光合成手段、１５  ビームサンプラー、１６  ビームサンプラー、
１７  ミラー、１８  ビームサンプラー、１９  ＰＤ、
２０  バランス相互相関器、２１  第１のミラーペア、２２  レンズ、２３  検出器、
２４  差動アンプ、３１  第２のミラーペア、３２  レンズ、３３  検出器、
４１  フィードバック制御部、４２  調整手段、４３  ＬＰＦ、４４  オシロスコープ、
５０  顕微鏡光学系、５１  対物レンズ、５２  試料、５３  対物レンズ、
５４  フィルター、５５  レンズ、５６  光検出器、
６１ａ〜６１ｄ  ハーフミラー、６２  透明板
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。【００１９】
本発明の実施の形態にかかる光学顕微鏡について図１を用いて説明する。図１は、光学顕微鏡の構成を示す図である。本実施の形態では、光学顕微鏡がＣＡＲＳ顕微鏡として説明する。本実施の形態にかかる光学顕微鏡では、波長の異なる２本のレーザ光を合成して、試料に照射している。【００２０】
光学顕微鏡１００は、２本のパルスレーザ光のタイミングを調整させるタイミング調整装置と、タイミング調整装置によって同期されたパルスレーザ光を照射する顕微鏡光学系５０とを備えている。タイミング調整装置は、第１のパルスレーザ光源１１と第２のパルスレーザ光源１２と、ミラー１３と、光合成手段１４と、第１のビームサンプラー１５と、第２のビームサンプラー１６と、ビームスプリッタ１８とフォトダイオード（ＰＤ）１９と、バランス相互相関器２０とを備えている。バランス相互相関器２０は、第１のミラーペア２１と、レンズ２２と、第１の検出器２３と、第２のミラーペア３１と、レンズ３２と、第２の検出器３３とを備えている。そして、これらの構成要素を用いて同期された２本のパルスレーザ光は、ミラー１７で反射されて、顕微鏡光学系５０に入射する。顕微鏡光学系５０は、対物レンズ５１、５３と、フィルター５４とレンズ５５と光検出器５６を備えている。そして、試料５２からのアンチストークスラマン散乱光を光検出器５６で検出して、ＣＡＲＳイメージングを行なっている。【００２１】
第１のパルスレーザ光源１１、及び第２のパルスレーザ光源１２は異なる波長のパルスレーザ光を出射する。例えば、第１のパルスレーザ光源１１の波長λ１は、７７０ｎｍであり、第２のパルスレーザ光源１２の波長λ２は、８４０ｎｍである。さらに、第２のパルスレーザ光源１２は、８００〜９００ｎｍの範囲で波長走査することができる。図１では、第１のパルスレーザ光源１１のパルスレーザ光をω１として示しており、第２のパルスレーザ光源１２のパルスレーザ光をω２として示している。第１のパルスレーザ光源１１と第２のパルスレーザ光源１２とは、ピコ秒パルスレーザを用いている。第１のパルスレーザ光源１１、と第２のパルスレーザ光源１２のパルス幅は、例えば、３〜５ｐｓｅｃである。また、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とは、略同じパルス幅を有している。【００２２】
そして、第１のパルスレーザ光源１１、と第２のパルスレーザ光源１２の繰り返し周波数は、同じ８０ＭＨｚ程度である。この繰り返し周波数は、光が共振器を１往復する時間に基づいている。従って、２つのパルスレーザ光源１１、１２の共振器のキャビティ長を一致させることによって、パルスを同期させることができる。第１のパルスレーザ光源１１、及び第２のパルスレーザ光源１２としては、例えば、モードロックチタンサファイアレーザを用いることができる。具体的には、第１のパルスレーザ光源１１と第２のパルスレーザ光源１２として、Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｐｈｙｓｉｃｓ社製Ｔｓｕｎａｍｉ（登録商標）を用いることができる。第１のパルスレーザ光源１１と第２のパルスレーザ光源１２は、２枚のミラーの間に微量のチタンが添加されたサファイア結晶が配置された構成をしている。このサファイア結晶に励起光を照射すると所定の波長のパルスレーザ光が出力ミラーから出射する。また、２枚のミラーからなる光共振器の長さを変えることによって、パルスレーザ光のタイミングが変化する。【００２３】
第１のパルスレーザ光源１１からのパルスレーザ光ω１は、光合成手段１４に入射する。第２のパルスレーザ光源１２からのパルスレーザ光ω２は、ミラー１３で反射された後、光合成手段１４に入射する。光合成手段１４は例えば、ダイクロイックミラーであり、波長によって異なる透過率（反射率）を有している。ここでは、光合成手段１４は、波長λ１の光を透過し、波長λ２の光を反射する。従って、パルスレーザ光ω１のほとんどは、光合成手段１４を通過し、パルスレーザ光ω２のほとんどは、光合成手段１４で反射される。光合成手段１４は、それぞれの光軸に対して、４５°傾けて配置されている。従って、光合成手段１４は、パルスレーザ光ω１とパルスレーザ光ω２とを効率よく、空間的に重ね合わせる。【００２４】
また、第１のパルスレーザ光源１１と光合成手段１４の間に、ビームスプリッタ１８を配置している。このビームスプリッタ１８は、第１のパルスレーザ光ω１の一部を取り出す。そして、ビームスプリッタ１８によって取り出された第１のパルスレーザ光ω１の一部は、ＰＤ（フォトダイオード）１９で検出される。このＰＤ１９での検出結果に基づいて、第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光とを時間的に重ね合わせている。すなわち、第１のパルスレーザ光のパルスと第２のパルスレーザ光との一部を重複させている。具体的には、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）制御を行い、パルスレーザ光源の発振器の周波数を基準の周波数に一致させている。例えば、第１のパルスレーザ光源１１の周波数を基準周波数として、第２のパルスレーザ光源１２の周波数を一致させている。これにより、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２の一部を時間的に重複させることができる。しかしながら、ＰＬＬでは精度が約１ｐｓｅｃであるため、正確に同期させることができない。すなわち、パルス幅が３〜５ｐｓｅｃであるため、１ｐｓｅｃのずれが生じるとＣＡＲＳイメージが大幅に劣化してしまう。さらに、外乱等によるタイミングジッターもあるため、ＣＡＲＳイメージングを安定させることが困難になってしまう。そこで、本実施の形態では、後述するバランス相互相関器２０からの出力に基づいて、キャビティ長を変えて、パルスレーザ光を同期させている。【００２５】
このように、光合成手段１４は、２本のパルスレーザ光を時間的、空間的に重ね合わせる。すなわち、光合成手段１４は、２本のパルスレーザ光を合成する。したがって、光合成手段１４から出射される光は２本のパルスレーザ光が合成された合成光となる。光合成手段１４によって合成された２本のパルスレーザ光は、ビームサンプラー１５に入射する。ビームサンプラー１５は、合成光の一部を取り出す。ビームサンプラー１５によって取り出された合成光は、第１のタイミング調整用光ビームとなる。例えば、ビームサンプラー１５は、光を分岐するビームスプリッタであり、合成光の一部を反射する。ビームサンプラー１５は、光軸に対して傾いて配置されている。ビームサンプラー１５で反射された光ビームが、第１のタイミング調整用光ビームとなる。ここで、第１のタイミング調整用光ビームには、第１のパルスレーザ光ω１と、第２のパルスレーザ光ω２とが含まれている。【００２６】
一方、ビームサンプラー１５を透過したパルスレーザ光は、ビームサンプラー１６に入射する。ビームサンプラー１６は、ビームサンプラー１５と同様に、パルスレーザ光の一部を取り出す。このビームサンプラー１６によって取り出されたパルスレーザ光は、第２のタイミング調整用光ビームとなる。例えば、ビームサンプラー１６は、光を分岐するビームスプリッタであり、合成されたパルスレーザ光の一部を反射する。ビームサンプラー１６で反射された光ビームが、第２のタイミング調整用光ビームとなる。ここで、第２のタイミング調整用光ビームには、第１のパルスレーザ光ω１と、第２のパルスレーザ光ω２とが含まれている。【００２７】
このように、ビームサンプラー１５、１６は、パルスレーザ光の一部を取り出して、２本のタイミング調整用光ビームを生成する。２本のタイミング調整用光ビームにおいて、パルスレーザ光ω１と、パルスレーザ光ω２とは、位置的、空間的に重ね合わされている。すなわち、２本のタイミング調整用光ビームでは、パルスレーザ光ω１と、パルスレーザ光ω２とが合成されたままとなっている。この２本のタイミング調整用光ビームがバランス相互相関器２０に入射する。バランス相互相関器２０の構成については後述する。ここで、ビームサンプラー１５、１６は、バランス相互相関器２０において光の検出が行なうことができる程度の光を取り出す。すなわち、ビームサンプラー１５、１６の反射率は、バランス相互相関器２０において光の検出が行なうことができる範囲で、低い値に設定されている。これにより、顕微鏡光学系５０に入射する光強度を高くすることができる。【００２８】
ビームサンプラー１５、１６を透過した合成光は、ミラー１７に入射する。ミラー１７は、入射された合成光を顕微鏡光学系５０の方向に反射する。すなわち、ビームサンプラー１５、１６を通過した合成光が、ＣＡＲＳ顕微鏡の照明光（励起光）となる。具体的には、合成光は、対物レンズ５１によって集光されて試料５２に入射する。試料５２のから光は、対物レンズ５３で屈折されてフィルター５３に入射する。フィルター５３は、所定の波長帯域の光を通過させるフィルターである。従って、試料５２からのＣＡＲＳ光は透過して、光検出器５６で検出される。試料５２からのＣＡＲＳ光は、レンズ５５によって、光検出器５６の受光面に結像される。光検出器５６は、例えば、ＣＣＤカメラであり、ＣＡＲＳイメージを撮像する。一方、照明光であるパルスレーザ光ω１、ω２は、フィルター５４によって遮光される。すなわち、フィルター５４は照明光（励起光）とＣＡＲＳ光を分離する。なお、フィルター５４の代わりに分光器を用いてもよい。このように、ＣＡＲＳイメージングは、光検出器５６で撮像される。【００２９】
ここで、ＣＡＲＳは、非線形ラマン散乱の一種である。角周波数ω１、ω２（ω２＞ω１）の光が入射すると、試料分子との相互作用によって、角周波数ω３＝２ω２−ω１のコヒーレントな光が放出される。このコヒーレントな光がＣＡＲＳである。ＣＡＲＳ光は（ω２−ω１）が試料のラマン活性振動数と等しいときに極大となる。従って、一方のパルスレーザ光の波長を走査することによって、試料５２中を構成する分子を同定することができる。【００３０】
次にバランス相互相関器２０の構成について説明する。上記のように、バランス相互相関器２０は、第１のタイミング調整用光ビームと、第２のタイミング調整用光ビームが入射される。そして、バランス相互相関器２０は、２本のタイミング調整用光ビームを用いて、２本のパルスレーザ光を正確に同期させている。ここで、バランス相互相関器２０は、第１のミラーペア２１と第２のミラーペア３１によって、パルスレーザ光のタイミングを遅延させている。【００３１】
ビームサンプラー１５で取り出された第１のタイミング調整用光ビームは、第１のミラーペア２１に入射する。この第１のミラーペア２１では、第２のパルスレーザ光ω２に対して第１のパルスレーザ光ω１をΔｔだけ遅れさせる。すなわち、第１のパルスレーザ光ω１の光路長が、Δｔに対応する距離だけ第２のパルスレーザ光ω２の光路長よりも長くなっている。従って、第１のパルスレーザ光ω１は、第２のパルスレーザ光ω２よりも遅れて伝播していく。ここでは、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが異なる位置で反射される。そして、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とは、タイミングがずれた状態で、レンズ２２に入射する。レンズ２２は、第１のタイミング調整用光ビームを屈折する。このレンズ２２によって、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが同じ位置に集光される。そして、レンズ２２で集光された第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２は、第１の検出器２３に入射する。すなわち、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２の集光位置に、第１の検出器２３の受光面が配置されている。【００３２】
一方、ビームサンプラー１６で取り出された第２のタイミング調整用光ビームは、第２のミラーペア３１に入射する。この第２のミラーペア３１は、第１のパルスレーザ光ω１に対して第２のパルスレーザ光ω２をΔｔだけ遅れさせる。すなわち、第２のパルスレーザ光ω２の光路長が、Δｔに対応する距離だけ第１のパルスレーザ光ω１の光路長よりも長くなっている。ここでΔｔを正数とすると、第１のパルスレーザ光ω１は−Δｔだけ第２のパルスレーザ光ω２に対して遅れている。第２のパルスレーザ光ω２は、第１のパルスレーザ光ω１よりも遅れて伝播していく。ここでは、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが異なる位置で反射される。そして、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とは、タイミングがずれた状態で、レンズ３２に入射する。レンズ３２は、第２のタイミング調整用光ビームを屈折する。このレンズ３２によって、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが同じ位置に集光される。そして、レンズ３２で集光された第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２は、第２の検出器３３に入射する。すなわち、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２の集光位置に、第２の検出器３３の受光面が配置されている。【００３３】
ここで、図２を用いて第１のミラーペア２１と第２のミラーペア３１の構成について説明する。図２はバランス相互相関器２０の構成を示す図である。第１のミラーペア２１は、ダイクロイックミラー２５と、反射ミラー２６とを備えている。また、第２のミラーペア３１はダイクロイックミラー３５と反射ミラー３６とを備えている。ダイクロイックミラー２５、３５は波長に応じて異なる反射率、及び透過率を有している。【００３４】
ダイクロイックミラー２５は、波長λ１と波長λ２とで異なる透過率を有している。波長λ１に対するダイクロイックミラー２５の透過率は、波長λ２に対するダイクロイックミラー２５の透過率よりも高い。換言すると、波長λ１に対するダイクロイックミラー２５の反射率は、波長λ２に対するダイクロイックミラー２５の反射率よりも低い。具体的には、ダイクロイックミラー２５は、波長λ１の光を透過して、波長λ２の光を反射する。すなわち、ダイクロイックミラー２５は波長λ１の光に対しては、高い透過率を有し、波長λ２の光に対しては高い反射率を有している。従って、ダイクロイックミラー２５は第１のパルスレーザ光ω１のほとんどを透過し、第２のパルスレーザ光ω２のほとんどを反射する。【００３５】
ここで、ダイクロイックミラー２５は、反射ミラー２６の前面に配置されている。換言すると、反射ミラー２６はダイクロイックミラー２５の背面側に配置されている。従って、ダイクロイックミラー２５を透過した光のみ、反射ミラー２６に入射する。ここで、第２のパルスレーザ光ω２のほとんどは、ダイクロイックミラー２５で反射するため、反射ミラー２６には入射しない。一方、第１のパルスレーザ光ω１のほとんどは、ダイクロイックミラー２５を透過して、反射ミラー２６に入射する。反射ミラー２６は、ガラス基板に金属膜が蒸着された平面鏡であり、波長に関わらず入射した光のほとんどを反射する。従って、第１のパルスレーザ光ω１のほとんどは、反射ミラー２６の反射面で反射し、第２のパルスレーザ光ω２のほとんどはダイクロイックミラー２５の反射面で反射する。【００３６】
さらに、ダイクロイックミラー２５と反射ミラー２６とは、所定の間隔を隔てて配置されている。すなわち、ダイクロイックミラー２５の反射面と、反射ミラー２６の反射面とは、所定の距離だけ離れて配置されている。この距離は、第１のパルスレーザ光ω１を遅れさせる時間に基づいた値となる。具体的には、タイミング遅れΔｔが数ｐｓｅｃとなるよう、反射面の間の距離が設定されている。タイミング遅れΔｔは、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２のパルス幅より短くなっている。例えば、反射面を１ｍｍ程度隔てて配置すると、片道で約３ｐｓｅｃ遅れる。従って、反射面間の距離は１ｍｍ以下とすることが好ましい。このように、ダイクロイックミラー２５と反射ミラー２６とは近接して対向配置されている。また、ダイクロイックミラー２５の反射面と、反射ミラー２６の反射面とは、平行に配置されている。ここで、第１のミラーペア２１の反射面は、第１のタイミング調整用光ビームの光軸に対して傾いている。なお、図１では、第１のミラーペア２１の反射面が光軸に対して４５°傾けて配置されているが、これに限られるものではない。例えば、タイミング調整用光ビームの第１のミラーペア２１の反射面に対する入射角を０°に近づけてもよい。【００３７】
このように、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とは、異なる反射面で反射される。従って、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とは、異なる位置で反射される。従って、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とはタイミング遅れが生じるとともに、異なる光軸となって伝播していく。【００３８】
上述のように、第１のミラーペア２１で反射された第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２はレンズ２２に入射する。レンズ２２は、第１のパルスレーザ光ω１と第２のω２との位置が一致するように、光を屈折する。すなわち、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光の光軸との中間に、レンズ２２の光軸が配置されている。従って、レンズ２２は、第１のパルスレーザ光ω１の光軸と第２のパルスレーザ光ω２の光軸が、交差するように、光を屈折する。そして、２本のパルスレーザ光の光軸の交差点に、検出器２３の受光面が配置されている。従って、ダイクロイックミラー２５の反射面から検出器２３までの光路長は、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とで略等しくなる。すなわち、ビームサンプラー１５から検出器２３までの間で、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とには、所定のタイミング遅れΔｔが発生する。したがって、第１のパルスレーザ光ω１は、第２のパルスレーザ光ω２に対して、Δｔだけ遅れる。ここで、タイミング遅れΔｔは、ダイクロイックミラー２５と反射ミラー２６との間の間隔に対応する時間である。【００３９】
第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とは、集光されて第１の検出器２３に入射する。ここで、第１の検出器２３は、２光子検出器であり、２光子吸収を検出する。すなわち、第１の検出器２３は、受光面での２光子吸収の発生数に応じた第１の検出信号を出力する。具体的には、第１の検出器２３は、ＧａＡｓＰフォトダイオードであり、例えば、浜松ホトニクス社製Ｇ１１１７を用いることができる。第１の検出器２３の受光感度は３００〜６８０ｎｍとなっている。従って、波長λ１のフォトン、又は波長λ２のフォトンの１光子吸収を検出しない。【００４０】
第１の検出器２３は、ＰＮ接合のバンドギャップが波長λ１の１フォトンに対応するエネルギーよりも大きくなっている。バンドギャップをＥｇ、プランク定数をｈ、波長λ１の光の振動数をν１とするとＥｇ＞ｈν１となっている。従って、波長λ１のフォトンのみが入射したときでは、電子がバンドギャップを超えない。もちろん、波長λ２は、波長λ１よりも長い。そのため、波長λ２のフォトンのみが入射したときも、電子がバンドギャップを超えない。すなわち、６８０ｎｍよりも長い波長λ１、及び波長λ２の光に対して、第１の検出器２３には感度がない。一方、波長λ１のフォトンと、波長λ２のフォトンとが同時に入射したときに、価電子帯の電子がバンドギャップを越える。すなわち、２光子吸収によって励起された電子がバンドギャップを超えて、伝導帯に上がる。２光子が同時吸収に吸収されると伝導電子（自由電子）、及び正孔が発生する。そして、伝導電子、及び正孔によって生じる電流を増幅することによって、第１の検出信号が得られる。従って、第１の検出器２３からは、２光子吸収に基づく第１の検出信号が出力される。【００４１】
第１の検出器２３には、所定のバンドギャップを有するフォトダイオードを用いることができる。ここで、バンドギャップは、パルスレーザ光の波長λ１、λ２に応じて、設定している。すなわち、１光子吸収では、伝導電子が発生せず、２光子吸収で伝導電子が発生するバンドギャップのフォトダイオードを選択すればよい。すなわち、波長λ１の光子と波長λ２の光子とのエネルギーの和が、バンドギャップよりも大きくなっている第１の検出器２３としては、フォトダイオードに限らず、フォトマルチプライヤー（光電子増倍管）等を用いることも可能である。すなわち、２光子吸収に応じた検出信号を出力する検出器であればよい。換言すると、１光子吸収では感度がなく、２光子吸収に感度を有する検出器で検出する。ここで、２光子吸収は、入射光強度の２乗に比例して起きる。従って、第１の検出器２３では、光強度の２乗に比例した第１の検出信号を得ることができる。【００４２】
一方、第２のタイミング調整用光ビームは、第２のミラーペア３１に入射する。第２のミラーペア３１も同様に、ダイクロイックミラー３５と反射ミラー３６とを備えている。ここで、ダイクロイックミラー３５は、ダイクロイックミラー２５とは異なる透過率、及び反射率の分布を有している。すなわち、波長λ１、λ２に対する反射率、及び透過率がダイクロイックミラー３５とダイクロイックミラー２５とで異なる。ダイクロイックミラー３５は、ダイクロイックミラー２５と異なり波長λ１の光を反射して、波長λ２の光を透過する。ダイクロイックミラー２５とダイクロイックミラー３５とでは、異なる波長の光を反射させるように、設計を変えている。具体的には、ガラス基板にコーティングされた誘電体薄膜の種類や膜厚等を変化させることによって、透過率、反射率を変えている。【００４３】
波長λ１に対するダイクロイックミラー３５の透過率は、波長λ２に対するダイクロイックミラー３５の透過率よりも低い。換言すると、波長λ１に対するダイクロイックミラー３５の反射率は、波長λ２に対するダイクロイックミラー３５の反射率よりも高い。具体的には、ダイクロイックミラー３５は、波長λ１の光を反射して、波長λ２の光を透過する。すなわち、ダイクロイックミラー３５は波長λ１の光に対しては、高い反射率を有し、波長λ２の光に対しては高い透過率を有している。従って、ダイクロイックミラー３５は第１のパルスレーザ光ω１のほとんどを反射し、第２のパルスレーザ光ω２のほとんどを透過する。【００４４】
ここで、ダイクロイックミラー３５は、反射ミラー３６の前面に配置されている。換言すると、反射ミラー３６はダイクロイックミラー３５の背面側に配置されている。従って、ダイクロイックミラー３５を透過した光のみ、反射ミラー３６に入射する。ここで、第１のパルスレーザ光ω１のほとんどは、ダイクロイックミラー３５で反射するため、反射ミラー３６には入射しない。一方、第２のパルスレーザ光ω２のほとんどは、ダイクロイックミラー３５を透過して、反射ミラー３６に入射する。反射ミラー３６は波長に関わらず入射光のほとんどを反射する。従って、第２のパルスレーザ光ω２のほとんどは、反射ミラー３６の反射面で反射し、第１のパルスレーザ光ω１のほとんどはダイクロイックミラー３５の反射面で反射する。【００４５】
さらに、ダイクロイックミラー３５と反射ミラー３６とは、第１のミラーペア２１と同様に、所定の間隔を隔てて配置されている。すなわち、ダイクロイックミラー３５と反射ミラー３６との配置は、第１のミラーペア２１におけるダイクロイックミラー２５と反射ミラー２６との配置と同じである。従って、第１のパルスレーザ光ω１に対して、第２のパルスレーザ光ω２を遅れさせることができる。タイミング遅れは、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２のパルス幅より短くなっている。さらに、第１のミラーペア２１のタイミング遅れΔｔと、第２のミラーペア３１によるタイミング遅れΔｔでは、値が等しくなっている。すなわち、第１のミラーペア２１によって、第１のパルスレーザ光ω１がΔｔだけ遅れ、第２のミラーペア３１によって第２のパルスレーザ光ω２がΔｔだけ遅れる。【００４６】
このように、第２のタイミング調整用光ビームでは、第２のパルスレーザ光ω２を遅らせる。ここで、タイミング遅れΔｔは、ダイクロイックミラー３５と反射ミラー３６との間の間隔に対応する時間である。このように、第１のミラーペア２１と第２のミラーペア３１では、タイミング遅れΔｔの大きさは同じである。また、第１のミラーペア２１と第２のミラーペア３１では、タイミング遅れΔｔは符号が正負反対である。ここで、第１のミラーペア２１によるタイミング遅れをΔｔとすると、第２のミラーペア３１によるタイミング遅れは−Δｔとなる。【００４７】
第２のミラーペア３１で反射した光ビームは、レンズ３２を介して、第２の検出器３３に入射する。ここで、レンズ３２と第２の検出器３３とは、レンズ２２と第１の検出器２３と同様の構成を有している。すなわち、レンズ３２は、第２のミラーペア３１において異なる位置で反射された第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とを集光する。そして、レンズ３２による集光位置に、第２の検出器３３の受光面が配置されている。また、第２の検出器３３は、第１の検出器２３と同様に２光子検出器である。従って、波長λ１のフォトンと、波長λ２のフォトンとの２光子吸収に基づく第２の検出信号を出力する。ここで、第１の検出器２３と第２の検出器３３とは同じタイプのフォトダイオードを用いることが好ましい。【００４８】
なお、パルスレーザ光の繰り返し周波数は、８０ＭＨｚである。そのため、パルスレーザ光が入射する時間間隔は、第１の検出器２３、第２の検出器３３の応答速度に比べて十分速い。従って、第１の検出器２３、及び第２の検出器３３では、複数のパルスによって発生する２光子吸収の平均値が検出信号として出力される。【００４９】
このように、第１のミラーペア２１では、第１のパルスレーザ光ω１を遅らせ、第２のミラーペア３１では、第２のパルスレーザ光ω２を遅らせている。従って、２本のタイミング調整用光ビームの一方では、第１のパルスレーザ光ω１が遅れた状態で検出され、他方では、第２のパルスレーザ光ω２が遅れた状態で検出される。すなわち、バランス相互相関器２０は、ビームサンプラー１５、１６で取り出された光ビームから、第１のパルスレーザ光ω１が第２のパルスレーザ光ω２から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、第２のパルスレーザ光ω２が第１のパルスレーザ光ωから遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成する。そして、第１のタイミング調整用光ビームを第１の検出器２３で検出し、第２のタイミング調整用光ビームを第２の検出器３３で検出する。そして、第１の検出器２３からの第１の検出信号と、第２の検出器３３からの第２の検出信号とは、図１に示す差動アンプ（差動増幅器）２４に入力される。差動アンプ２４は、第１の検出信号と第２の検出信号との差分を取る。そして、この差分に基づく差分信号を出力する。【００５０】
ここで、パルスレーザ光の光強度と各信号について図３Ａ〜図５を用いて説明する。図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂは、時間によるパルスレーザ光強度の変化を示している。図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂはミラーペアによってタイミング遅れが生じた後の、光強度を示している。ここで、図３Ａ、及び図４Ａは、第１のミラーペア２１で反射されたパルスレーザ光の光強度を示し、図３Ｂ、及び図４Ｂは、第２のミラーペア３１で反射されたパルスレーザ光の光強度を示している。以下の説明では、バランス相互相関器２０に入射する前のパルスレーザ光のずれをタイミングジッターτとして説明する。【００５１】
ここで、図３Ａ、及び図３Ｂは、タイミングジッターτ＝０の場合の光強度を示している。すなわち、図３Ａ、及び図３Ｂは、バランス相互相関器２０に入射する前において、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが同期している場合の光強度を示している。図４Ａ、及び図４Ｂは、タイミングジッターτが０でない場合の光強度を示している。すなわち、図４Ａ、及び図４Ｂは、バランス相互相関器２０に入射する前において、第２のパルスレーザ光ω２が第１のパルスレーザ光ω１よりも遅れている場合の光強度を示している。ここで、パルスレーザ光の分布がガウシアンであるとして説明する。また、図５は検出信号、及び差分信号を示す図である。【００５２】
まず、図３Ａ、及び図３Ｂを用いて、τ＝０の場合について説明する。すなわち、ミラーペア２１に入射する前において、第１のパルスレーザ光ω１のピークタイミングと、第２のパルスレーザ光ω２のピークタイミングは一致しているとして説明する。ここで、第１のミラーペア２１で反射された第１のタイミング調整用光ビームは、図３Ａに示すように、第１のパルスレーザ光ω１のピークタイミングは第２のパルスレーザ光ω２のピークタイミングよりもΔｔだけ遅れている。一方、第２のミラーペア３１で反射された第２のタイミング調整用光ビームは、図３Ｂに示すように、第２のパルスレーザ光ω２のピークタイミングは第１のパルスレーザ光ω１のピークタイミングよりもΔｔだけ遅れている。【００５３】
ここで、ミラーペアで反射された後の、ピークタイミングのずれ量をΔｄとする。ピークタイミングのずれ量Δｄはタイミング遅れΔｔと等しくなる。従って、第１のミラーペア２１によって生じる第１のタイミング調整用光ビームのピークタイミングのずれ量Δｄと、第２のミラーペア３１によって生じる第２のタイミング調整用光ビームのピークタイミングのずれ量Δｄは一致する。図３Ａ、及び図３Ｂ中に斜線で示されている第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが重なり合う面積は、第１のタイミング調整用光ビームと第２のタイミング調整用光ビームとで等しくなる。すなわち、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが同じガウシアンであるとすると、同じずれ量Δｄだけ前後にずれているため、斜線で示す重複部分の面積が等しくなる。【００５４】
ここで、２光子検出器である第１の検出器２３、及び第２の検出器３３では、重複部分において、光強度の２乗に比例した検出信号を出力する。よって、第１の検出信号と第２の検出信号とは等しくなる。第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが同期している場合、第１の検出信号と第２の検出信号とが同じ値となる。タイミングジッターτが０の場合、差分信号は０となる。【００５５】
次に、タイミングジッターτが０でない場合について図４Ａ、及び図４Ｂを用いて説明する。ここでは、第１のミラーペア２１に入射する前において、第１のパルスレーザ光ω１に対して第２のパルスレーザ光ω２が遅れている場合について説明する。この場合、図４Ａ、及び図４Ｂ中に斜線で示されいる第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２との重なり合う面積が異なる。すなわち、第２のミラーペア３１に入射する前における第２のパルスレーザ光ω２の遅れが、第２のミラーペア３１によって強調される。従って、図４Ｂに示すように、第２のミラーペア３１では、第２のパルスレーザ光ω２がより遅れるため、重複部分の面積が小さくなる。一方、第１のミラーペア２１に入射する前における第２のパルスレーザ光ω２の遅れが、第１のミラーペア２１によって打ち消される。従って、第１のタイミング調整用光ビームにおけるピークタイミングのずれ量Δｄは第２のタイミング調整用光ビームよりも小さくなる。よって、図４Ａの斜線で示す重複部分の面積が大きくなる。【００５６】
タイミングジッターが０でない場合、差分信号は０とはならない。そして、差分信号の値は、バランス相互相関器２０に入射する前のタイミングのずれによって、変化する。例えば、差分信号の正負によって、どちらのパルスレーザ光が遅れているか検出することができる。また、差分信号の大きさによって、どの程度のずれ量があるか測定することができる。ここで、第１のミラーペア２１によるタイミング遅れΔｔとタイミングジッターτが完全に打ち消し合うとき、ずれ量Δｄ＝０となる。よって、第１の検出信号は最大となる。一方、第２のミラーペア３１によるタイミング遅れ−Δｔとタイミングジッターτが完全に打ち消し合うとき、ずれ量Δｄ＝０となる。よって、第２の検出信号は最大となる。【００５７】
上記の差分信号をＳｄｉｆｆ、第１の検出信号をＳＴＰＤ１、第２の検出信号をＳＴＰＤ２とするとこれらの信号は数式１で示される
【数１】
2007132540.tif 000003
【００５８】
数式１では、ｇ１は第１のパルスレーザ光の強度、ｇ２は第２のパルスレーザ光の強度、ｔは時間とする。【００５９】
ここで、差分信号Ｓｄｉｆｆ、第１の検出信号ＳＴＰＤ１、及び第２の検出信号ＳＴＰＤ２は、図５に示すようになる。図５は、横軸がタイミングジッターτを示し、縦軸が信号強度を示している。また、図５では、上から順番に差分信号Ｓｄｉｆｆ、第１の検出信号ＳＴＰＤ１、第２の検出信号ＳＴＰＤ２が示されている。ここで、差分信号Ｓｄｉｆｆ＝第１の検出信号ＳＴＰＤ１−第２の検出信号ＳＴＰＤ２である。【００６０】
ここで、タイミングジッターτ＝０のとき、差分信号Ｓｄｉｆｆが０となる。すなわち、第１の検出信号ＳＴＰＤ１＝第２の検出信号ＳＴＰＤ２となるため、差分信号Ｓｄｉｆｆが０となる。そして、タイミングジッターτがΔｔに比べて十分大きい場合、検出信号の強度はほぼ０となる。また、τ＝０の近傍では、τが大きくなるにつれて、差分信号Ｓｄｉｆｆの強度が低くなっている。ここで、図５の点線で挟まれた範囲では、タイミングジッターτに応じて、差分信号Ｓｄｉｆｆがほぼリニアに変化する。点線で挟まれた範囲では、差分信号Ｓｄｉｆｆに基づいて、ずれの方向と大きさを測定することができる。すなわち、この範囲では、差分信号Ｓｄｉｆｆの強度がパルスレーザ光のずれに対応している。【００６１】
第１の検出信号ＳＴＰＤ１は、ずれ量Δｄ＝−５ｐｓｅｃの辺りでピークとなっている。このピーク位置は、第１のミラーペア２１でのタイミング遅れΔｔに相当する。ここで、第１の検出信号ＳＴＰＤ１がピークのとき、ずれ量Δｄ＝０となる。すなわち、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２のピークが一致している。そして、タイミングジッターτがピークの位置から離れていくにしたがって、第１の検出信号ＳＴＰＤ１の強度が低くなっていく。一方、第２の検出信号ＳＴＰＤ２は、タイミングジッターτ＝＋５ｐｓｅｃの辺りでピークとなっている。ここで、第２の検出信号ＳＴＰＤ２がピークのとき、ずれ量Δｄ＝０となる。すなわち、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２のピークが一致している。そして、タイミングジッターτがピークから離れていくにしたがって、第２の検出信号ＳＴＰＤ２の強度が低くなっていく。【００６２】
このように、差分信号Ｓｄｉｆｆがタイミングジッターτに応じてほぼリニアに変化する範囲がある。この範囲内でフィードバック制御することによって、容易にパルスレーザ光を同期させることができる。具体的には、ＰＬＬ制御で、差分信号Ｓｄｉｆｆがリニアに変化する範囲まで、タイミングジッターτを小さくする。そして、差分信号Ｓｄｉｆｆをフィードバック制御部４１に入力する。フィードバック制御部４１は、例えば、デジタルＰＩＤコントローラなどの演算処理装置を備えている。ここでは、差分信号Ｓｄｉｆｆを０にするようフィードバック制御している。【００６３】
フィードバック制御部４１は差分信号Ｓｄｉｆｆに基づいて第２のパルスレーザ光源１２に取り付けられたタイミング調整手段４２を制御する。タイミング調整手段４２は、第２のパルスレーザ光源１２の共振器長を変えるためのアクチュエータ等を備えている。フィードバック制御部４１は、タイミング調整手段４２に設けられたアクチュエータを駆動して、共振器長を変化させる。すなわち、タイミング調整手段４２のアクチュエータが駆動することによってキャビティー長を制御することができる。よって、パルスレーザ光のタイミングが変化する。そして、差分信号Ｓｄｉｆｆを０に近づけるよう、タイミング調整手段４２を駆動する。差分信号Ｓｄｉｆｆの測定を一定周期で行い、この測定結果に応じてフィードバック制御が実行される。これにより、パルスレーザ光のタイミングを安定して同期させることができる。【００６４】
具体的には、第２のパルスレーザ光ω２がタイミングジッターτによって遅れる場合、第１の検出信号ＳＴＰＤ１が大きくなり、第２の検出信号ＳＴＰＤ２が小さくなる。よって、差分信号Ｓｄｉｆｆが正のとき、第２のパルスレーザ光ω２に対して第１のパルスレーザ光ω１を遅らせるよう制御する。これにより、タイミングジッターτを低減することができる。一方、第１のパルスレーザ光ω１がタイミングジッターτによって遅れる場合、第１の検出信号ＳＴＰＤ１が小さくなり、第２の検出信号ＳＴＰＤ２が大きくなる。よって、差分信号Ｓｄｉｆｆが負のとき、第１のパルスレーザ光ω１に対して第２のパルスレーザ光ω２を遅らせるよう制御する。これにより、タイミングジッターτを低減することができる。そして、タイミングジッターτ＝０のとき、差分信号Ｓｄｉｆｆ＝０でバランスする。差分信号Ｓｄｉｆｆがリニアに変化する範囲内では、差分信号Ｓｄｉｆｆの値をタイミングジッターτに換算することができる。そして、差分信号Ｓｄｉｆｆに基づいてパルスタイミングを調整する。【００６５】
上記のフィードバック制御を行うことによって、タイミングジッターτを低減することができる。さらに、本実施の形態では、ローパスフィルター４３を介して差分信号Ｓｄｉｆｆをオシロスコープ４４で観測することで、タイミングジッターを測定している。ここで、帯域１５０Ｈｚで、１ｐｓｅｃ程度であったタイミングジッターτを、フィードバック制御により８ｆｓｅｃまで低減させることができる。このように、フィードバック制御を行うことによって、安定したパルスレーザ光の同期が可能となる。【００６６】
なお、上記の説明では、パルスレーザ光を同期させる制御について説明したが、本実施の形態は、これに限るものではない。例えば、パルスレーザ光のタイミングがずれるよう制御してもよい。具体的には、パルスレーザ光の入射タイミングのずれが一定となるよう制御することが可能である。この場合、差分信号Ｓｄｉｆｆを０以外の値になるようフィードバック制御を行う。この値は、入射タイミングのずれに応じた値となる。すなわち、差分信号Ｓｄｉｆｆが一定の値となるようフィードバック制御を行うことによって、入射タイミングを制御することができる。さらに、入射タイミングが変化するように、制御してもよい。【００６７】
このように、フィードバック制御を行っているため、常時、同期させることができる。よって、波長走査によってタイミングジッターが生じる場合でも、容易に同期させることができる。従って、ＣＡＲＳ顕微鏡などの波長走査が必要な光学顕微鏡に好適である。もちろん、パルスレーザ光のタイミング調整装置は、ＣＡＲＳ顕微鏡に対する利用に限られるものではない。例えば、２台のパルスレーザ光を利用した非線形分光に対しても利用することができる。具体的には、２光子励起レーザ顕微鏡や、ポンププローブ分光顕微鏡などに利用することが可能である。すなわち、上記のタイミング調整装置からのパルスレーザ光を照明光（励起光）として試料に照射するレーザ光顕微鏡に好適である。【００６８】
さらに、上記の説明では、第１のミラーペア２１、及び第２のミラーペア３１とによって、２つのパルスレーザ光のうち１つが遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、他方が遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、上記の説明では、タイミングを遅延させるためのタイミング遅延手段として第１のミラーペア２１と第２のミラーペア３１とを用いたが、本実施の形態は、これに限るものではない。例えば、図６に示す構成のタイミング遅延手段６０を用いることができる。【００６９】
図６に示すタイミング遅延手段６０では、合成する前のパルスレーザ光が入射されている。すなわち、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが別々に入射されている。ここで、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とは、タイミング調整手段６０に入射する前の光路長を一致させている。【００７０】
タイミング遅延手段６０は、ハーフミラー６１ａ〜６１ｄを４つ備えている。これらをまとめてハーフミラー６１とする。ハーフミラー６１は、入射光の略半分を透過し、略半分を反射する。４つのハーフミラー６１ａ〜６１ｄ間は上下対称、及び左右対称に配置されている。例えば、４つのハーフミラー６１ａ〜６１ｄの中心が正方形の４角にそれぞれ配置されている。また、対角に配置されたハーフミラー６１ａとハーフミラー６１ｄは、平行に配置されている。同様に、対角に配置されたハーフミラー６１ｂとハーフミラー６１ｃは、平行に配置されている。そして、ハーフミラー６１ａとハーフミラー６１ｂとは直交する方向に配置されている。また、それぞれのハーフミラー６１ａ〜６１ｄは、パルスレーザ光ω１、ω２の光軸に対して４５°傾いて配置されている。【００７１】
第１のパルスレーザ光ω１は、まず、ハーフミラー６１ａに入射する。ハーフミラー６１ａは第１のパルスレーザ光ω１の一部を透過し、一部を反射する。従って、第１のパルスレーザ光ω１が分岐する。分岐された一方の光ビームは、ハーフミラー６１ｂに入射し、他方はハーフミラー６１ｃに入射する。ハーフミラー６１ｂに入射した第１のパルスレーザ光ω１の一部はハーフミラー６１ｂを透過して、第１の検出器２３に入射する。ハーフミラー６１ｃに入射した第１のパルスレーザ光ω１の一部はハーフミラー６１で反射され、第２の検出器３３に入射する。【００７２】
一方、第２のパルスレーザ光ω２は、まず、ハーフミラー６１ｄに入射する。従って、第２のパルスレーザ光ω２は、第１のパルスレーザ光ω１と同様に、２本に分岐される。ハーフミラー６１ｄによって分岐された一方の光ビームは、ハーフミラー６１ｂに入射し、他方はハーフミラー６１ｃに入射する。ハーフミラー６１ｂに入射した第１のパルスレーザ光ω１の一部はハーフミラー６１で反射され、第１の検出器２３に入射する。ハーフミラー６１ｃに入射した第１のパルスレーザ光ω１の一部はハーフミラー６１を透過して、第２の検出器３３に入射する。【００７３】
このように、ハーフミラー６１ｂ、６１ｃによって、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが合成される。ここで、タイミング遅延手段６０には、透明板６３が設けられている。透明板６３は、ハーフミラー６１ｃと、ハーフミラー６１ｄとの光路中、及びハーフミラー６１ａと、ハーフミラー６１ｂとの光路中に配置される。透明板６３は、例えば、透明なガラスなどで構成される。透明板６３は空気よりも屈折率が高い。従って、透明板６３と通過した光は、屈折率、及び透明板の厚さに応じた光路差が与えられる。【００７４】
ハーフミラー６１ａで反射され、ハーフミラー６１ｂに入射する第１のパルスレーザ光ω１、及びハーフミラー６１ｄで反射され、ハーフミラー６１ｃに入射する第２のパルスレーザ光ω２は、透明板６３を通過する。一方、ハーフミラー６１ａを透過して、ハーフミラー６１ｃに入射する第１のパルスレーザ光ω１、及びハーフミラー６１ｄを透過して、ハーフミラー６１ｂに入射する第２のパルスレーザ光ω２は、ガラス板を通過せず、空気のみを伝播していく。従って、ハーフミラー６１ｂ、６１ｃで合成される合成光では、パルスレーザ光にタイミング遅れΔｔが生じる。このタイミング遅れΔｔは透明板６３の材質、厚さ等に応じたものとなる。透明板６３としては、波長分散の小さい材質を用いることが好ましい。【００７５】
具体的には、ハーフミラー６１ｂでの合成光では、透明板６３を通過した第１のパルスレーザ光ω１が、第２のパルスレーザ光ω２よりも遅れる。一方、ハーフミラー６１ｃでの合成光では、透明板６３を通過した第２のパルスレーザ光ω２が、第１のパルスレーザ光ω１よりも遅れる。従って、第１の検出器２３は、第２のパルスレーザ光ω２に対して第１のパルスレーザ光ω１が遅れた第１のタイミング調整用光ビームを受光する。一方、第２の検出器３３は、第１のパルスレーザ光ω１に対して第２のパルスレーザ光ω２が遅れた第２のタイミング調整用光ビームを受光する。ここで、第１の検出器２３、及び第２の検出器３３は、図２で示したものと同様の２光子検出器である。よって、図２に示す構成と同様に、タイミングを調整することができる。【００７６】
このように、図６に示すタイミング遅延手段６０では、ダイクロイックミラーを用いていないため、波長の近いパルスレーザ光に対してもタイミング遅延を生じさせることができる。すなわち、図２に示す構成では、ダイクロイックミラーを用いているため、調整可能な波長の差が、ダイクロイックミラーの性能によって制限される。換言すると、ダイクロイックミラーで分離することができないほど波長差が小さい場合、図２に示す構成では、タイミングを遅延することができない。図６に示す構成では、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが別々の光路を伝播している状態で、タイミング遅延を生じさせている。これにより、より波長の近いパルスレーザ光を調整することができる。【００７７】
一方、図２に示す構成では、光合成手段１４で合成した光ビームに対してタイミング遅延を発生させている。そのため、より確実にタイミングを調整することができる。すなわち、顕微鏡光学系５０に入射する合成光の一部を分岐しているため、バランス相互相関器２０の差分信号は合成光のタイミングジッターτを正確に反映している。換言すると、図２に示す構成では、第１のパルスレーザ光ω１と第２のパルスレーザ光ω２とが異なる光路を通過することによって生じる光路長の微小なずれを排除することができる。これにより、正確にタイミングを調整することができる。【００７８】
もちろん、タイミングを遅延するためのタイミング遅延手段は、図２や、図６に示す構成に限られるものではない。すなわち、ダイクロイックミラーやハーフミラー、反射ミラーなどを組み合わせることによって、様々なタイプのタイミング遅延手段を構成することができる。例えば、図６に示す構成において、透明板６３を設けずに、ハーフミラー６１の中心が長方形の４角に配置することによって、タイミングを遅延させることができる。この場合、空気中の伝播距離が異なるため、光路差が生じる。このように、第１のパルスレーザ光ω１が第２のパルスレーザ光ω２から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、第２のパルスレーザ光ω２が第１のパルスレーザ光ω１から遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成する構成をタイミング遅延手段として用いればよい。そして、第１のタイミング調整用光ビームを第１の検出器２３で受光し、第２のタイミング調整用光ビームを第２の検出器３３で受光すれば、簡便な構成で正確なタイミング調整が可能となる。【００７９】
さらに、群速度分散を持つ光学素子によってタイミング遅延手段を構成することも可能である。例えば、正の群速度分散を持つ光学素子は、波長の短い光を遅れさせることができる。一方、負の群速度分散を持つ光学素子は、波長の長い光を遅れさせることができる。従って、第１のミラーペア２１の代わりに、正の群速度分散を持つ光学素子を配置し、第２のミラーペア３１の代わりに負の群速度分散を持つ光学素子を配置すればよい。すなわち、正の群速度分散を持つ光学素子を介してビームサンプラーによって取り出された第１のタイミング調整用光ビームを検出し、負の群速度分散を持つ光学素子を介して第２のタイミング調整用光ビームを検出すればよい。このような群速度分散を持つ光学素子としては、光ファイバーや、回折格子ペア等を用いることができる。【００８０】
なお、ビームサンプラー１５、１６は図１に示す構成に限られるものではない。たとえば、ビームサンプラー１５で取り出された光ビームをハーフミラーに入射させてもよい。この場合、ビームサンプラー１６は不要となる。ビームサンプラーは第１のパルスレーザ光ω１の一部と、第２のパルスレーザ光の一部とを取り出す構成であればよい。従って、図６に示したように、光合成手段１４で合成する前に光ビームを取り出してもよい。また、第１のパルスレーザ光源１１、及び第２のパルスレーザ光源１２は、ピコ秒パルスレーザ光に限られるものではない。例えば、フェムト秒パルスレーザ光源を用いることも可能である。【００８１】
また、２光子吸収に限らず、多光子吸収を用いてパルスレーザ光のタイミングを調整してもよい。すなわち、多光子吸収を検出する検出器からの検出信号によって、タイミングを調整してもよい。これにより、例えば、３本以上のパルスレーザ光のタイミングを調整することができる。さらに、多光子吸収に限らず、非線形光学効果を用いてパルスレーザ光のタイミングを調整してもよい。すなわち、非線形光学効果を検出する検出器からの検出信号を用いてタイミングを調整してもよい。このように、第１の検出器２３、及び第２の検出器３３に多光子吸収に基づく検出信号を出力するものや、非線形光学効果に基づく検出信号を出力するものを用いてもよい。【００８２】
さらには、図６に示す構成を用いることによって、同じ波長のパルスレーザ光に対して、タイミングを調整することが可能となる。従って、光へテロダイン検波などのほとんど等しい波長のパルスレーザ光を合成する際にも、有効である。すなわち、第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光とを同じ波長にすることも可能である。この場合、図６に示す構成に限らず、偏光状態の違いを用いて、２つのパルスレーザ光の分離、合成を行なってもよい。例えば、第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光が直線偏光の場合、偏光ビームスプリッタなどを用いて、第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光を分離することができる。すなわち、図１、図２のダイクロイックミラーの代わりに偏光ビームスプリッタなどを用いる。そして、偏光面の違いに応じて第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光とを合成、分離する。これにより、光合成手段によって合成されたパルスレーザ光が分離される。そして、分離されたパルスレーザ光の一方のタイミングを遅れさせた後、パルスレーザ光を合成する。すなわち、分離された第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光との間に光路長の差を設ける。これにより、第１、及び第２のタイミング調整用光ビームが生成される。そして、上記と同様の方法によってタイミングを調整する。このようにして光の時間、及び位置を合わせることによって、今後の高速光通信分野での利用が可能となる。このように、偏光ビームスプリッタ等を用いることによって、偏光状態の違いに応じてパルスレーザ光の分離、合成を行なうことができる。よって、同じ波長のパルスレーザ光のタイミングを調整することが可能となる。【００８３】
さらに、偏光ビームスプリッタを用いずに、タイミングを遅延させることも可能である。例えば、バビネ補償板や液晶素子等の複屈折素子を用いて、タイミングを遅延させることができる。具体的には、直線偏光である第１及び第２のパルスレーザ光の偏光面を互いに直交させて、合成する。すなわち、第１のパルスレーザ光の偏光面と第２のパルスレーザ光の偏光面とが直交した状態で、２本のレーザ光を重ね合わせて、２本のタイミング調整用光ビームを生成する。そして、２本のタイミング調整用光ビームのそれぞれを、例えば、バビネ補償板に入射させる。このバビネ補償板は、互いに直交する光学軸を有する１対の光学くさびを有している。そして、一方の光学くさびをマイクロメータのネジによって移動させることにより、その光学くさびの光路長が変わる。また、他方の光学くさびは固定されており、その光路長は一定である。ここで、１対の光学くさびの光学軸をそれぞれ第１のパルスレーザ光又は第２のパルスレーザ光の偏光面と一致させる。これにより、偏光状態の違いに基づいて、一方のパルスレーザ光のみ所定のタイミングだけ遅延させることができる。すなわち、１対の光学くさびの光路長差に応じたタイミング遅延を２本のパルスレーザ光に対して与えることができる。そして、２枚のバビネ補償板の一方で第１のパルスレーザ光を遅延させ、他方で第２のパルスレーザ光を遅延させる。このように２本のパルスレーザ光の偏光状態の違いによって、一方のパルスレーザ光のタイミングが遅れたタイミング調整用光ビームを生成することができる。よって、複屈折素子を用いることにより、第１の第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光とを分離せずに、タイミング遅延を与えることが可能である。さらには、同じ波長のパルスレーザ光のタイミングを調整することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明によれば、容易にパルスレーザ光のタイミングを調整することができるため、ＣＡＲＳ顕微鏡、２光子励起レーザ顕微鏡、ポンププローブ分光顕微鏡等の光学顕微鏡に適用することができる。
【図１】
2007132540.tif 000004
【図２】
2007132540.tif 000005
【図３Ａ】
2007132540.tif 000006
【図３Ｂ】
2007132540.tif 000007
【図４Ａ】
2007132540.tif 000008
【図４Ｂ】
2007132540.tif 000009
【図５】
2007132540.tif 000010
【図６】
2007132540.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月13日(2007.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整装置であって、
第１のパルスレーザ光を出射する第１のパルスレーザ光源と、
第２のパルスレーザ光を出射する第２のパルスレーザ光源と、
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成して、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とが空間的に重なり合った状態の合成光を生成する光合成手段と、
前記光合成手段によって合成された前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とが空間的に重なり合った状態の合成光の一部を取り出すビームサンプラーと、
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光の波長の違い又は偏光状態の違いに基づいて、前記ビームサンプラーで取り出された前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とが空間的に重なり合った状態の合成光の一部から、前記第１のパルスレーザ光が前記第２のパルスレーザ光から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、前記第２のパルスレーザ光が前記第１のパルスレーザ光から遅れた第２のタイミング調整用光ビームと、を生成するタイミング遅延手段と、
前記第１のタイミング調整用光ビームを受光する第１の検出器であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に応じて強度が変化する第１の検出信号を出力する第１の検出器と、
前記第２のタイミング調整用光ビームを受光する第２の検出器であって、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に応じて強度が変化する第２の検出信号を出力する第２の検出器と、
前記第１の検出器からの第１の検出信号と前記第２の検出器からの第２の検出信号とに基づいて、前記第１のパルスレーザ光源と前記第２のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するタイミング調整手段とを備えるパルスレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項２】
前記第１のパルスレーザ光源が第１の波長のパルスレーザ光を出射し、
前記第２のパルスレーザ光源が第２の波長のパルスレーザ光を出射し、
前記タイミング遅延手段が
前記第１の波長に対する反射率が前記第２の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第１の波長のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、
前記第２の波長に対する反射率が前記第１の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第２の波長のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第２のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項１に記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項３】
前記第１のパルスレーザ光源が第１の波長のパルスレーザ光を出射し、
前記第２のパルスレーザ光源が第２の波長のパルスレーザ光を出射し、
前記タイミング遅延手段が
正の群速度分散を有する第１の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、
負の群速度分散を有する第２の光学素子によって、前記第２のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項１に記載のレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項４】
前記光合成手段が、前記第１のパルスレーザ光の偏光面と、前記第２のパルスレーザ光の偏光面とが直交した合成光を生成し、
前記タイミング遅延手段に設けられた複屈折素子が、前記第１及び第２のパルスレーザ光の偏光面の違いに基づいて、前記第１及び第２のタイミング調整用光ビームを生成する請求項１に記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項５】
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分に基づく差分信号を出力する差動増幅器と、
前記差動増幅器からの差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行う請求項１乃至４のいずれかに記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のパルスレーザ光のタイミング調整装置を備え、
前記タイミング調整装置によってタイミングが調整された前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを試料に照射する光学顕微鏡。
【請求項７】
複数のパルスレーザ光のタイミングを調整するパルスレーザ光のタイミング調整方法であって、
第１のパルスレーザ光、及び第２のパルスレーザ光を出射するステップと、
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを合成して、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とが空間的に重なり合った状態の合成光を生成するステップと、
前記光合成手段によって合成された前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とが空間的に重なり合った状態の合成光の一部を取り出すステップと、
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光の波長の違い又は偏光状態の違いに基づいて、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とが空間的に重なり合った状態の合成光の一部から、前記第１のパルスレーザ光が前記第２のパルスレーザ光から遅れた第１のタイミング調整用光ビームと、前記第２のパルスレーザ光が前記第１のパルスレーザ光から遅れた第２のタイミング調整用光ビームとを生成するステップと、
前記第１のタイミング調整用光ビームを第１の検出器に受光させて、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に応じて強度が変化する第１の検出信号を出力するステップと、
前記第２のタイミング調整用光ビームを第２の検出器に受光させて、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光との非線形光学効果に応じて強度が変化する第２の検出信号を出力するステップと、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とに基づいて、前記第１のパルスレーザ光源と前記第２のパルスレーザ光源とのタイミングを調整するステップとを有するパルスレーザ光のタイミング調整方法。
【請求項８】
前記パルスレーザ光を出射するステップでは、第１の波長の前記第１のパルスレーザ光と、第２の波長の前記第２のパルスレーザ光を出射し、
前記タイミングを遅延するステップでは、
前記第１の波長に対する反射率が前記第２の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第１のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、
前記第２の波長に対する反射率が前記第１の波長に対する反射率よりも低いダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを通過した前記第２のパルスレーザ光を反射するミラーと、によって、前記第２のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項７に記載のパルスレーザ光のタイミング調整方法。
【請求項９】
前記パルスレーザ光を出射するステップでは、第１の波長の前記第１のパルスレーザ光と、第２の波長の前記第２のパルスレーザ光を出射し、
前記取り出すステップでは前記第１の波長のパルスレーザ光と前記第２の波長のパルスレーザ光とが合成された合成光の一部を取り出し、
前記タイミングを遅延するステップでは、
正の群速度分散を有する第１の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成し、
負の群速度分散を有する第２の光学素子によって、前記第１のタイミング調整用光ビームを生成する、請求項７に記載のレーザ光のタイミング調整方法。
【請求項１０】
前記合成光を生成するステップでは、前記第１のパルスレーザ光の偏光面と、前記第２のパルスレーザ光の偏光面とが直交した前記合成光が生成され、
前記第１及び第２のタイミング調整用光ビームを生成するステップでは、複屈折素子が、前記第１及び第２のパルスレーザ光の偏光面の違いに基づいて、前記第１及び第２のタイミング調整用光ビームを生成する請求項７に記載のパルスレーザ光のタイミング調整方法。
【請求項１１】
前記タイミングを調整するステップでは、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分に基づく差分信号を出力し、
前記差分信号が一定の値となるようフィードバック制御を行っている請求項７乃至１０のいずれかに記載のパルスレーザ光のタイミング調整方法。
【国際調査報告】
2007132540.tif 000012
2007132540.tif 000013
2007132540.tif 000014
2007132540.tif 000015