(57)【要約】【課題】単一のレーザ光から複数の波長のレーザ光を生成しつつ各レーザ光により多光子励起効果を高効率で発生させる。【解決手段】極短パルスレーザ光を射出する単一のレーザ光源２と、極短パルスレーザ光のうち少なくとも一部の波長を変換することにより波長の異なる複数のパルスレーザ光を生成する波長変換手段３と、該波長変換手段３によって生成された各パルスレーザ光の周波数分散量を調節する分散調節手段５１〜５３と、該分散調節手段５１〜５３によって周波数分散量が調節された複数のパルスレーザ光を射出する導入光学系８とを備え、分散調節手段５１〜５３が、導入光学系８から光学装置の照射光学系に導入されて標本に照射される各パルスレーザ光が標本上において略フーリエ限界パルスに近づくように各パルスレーザ光の周波数分散量を調節するレーザ光源装置１を提供する。【選択図】図１
2013083970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる複数の極短パルスレーザ光を標本に照射する照射光学系を備え前記複数の極短パルスレーザ光によって前記標本に対して操作を行う光学装置に前記極短パルスレーザ光を導入するレーザ光源装置であって、
極短パルスレーザ光を射出する単一のレーザ光源と、
該レーザ光源から射出された極短パルスレーザ光のうち少なくとも一部の波長を変換することにより波長の異なる複数のパルスレーザ光を生成する波長変換手段と、
該波長変換手段によって生成された各パルスレーザ光の周波数分散量を調節する分散調節手段と、
該分散調節手段によって周波数分散量が調節された複数のパルスレーザ光を射出する導入光学系とを備え、
前記分散調節手段は、前記導入光学系から前記光学装置の前記照射光学系に導入された各パルスレーザ光が前記標本上において略フーリエ限界パルスに近づくように各パルスレーザ光の周波数分散量を調節するレーザ光源装置。
【請求項２】
前記波長変換手段が、光学パラメトリック発振器を備える請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記分散調節手段が、プリズム対、グレーティング対またはチャープミラーを備える請求項１または請求項２に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記波長の異なる複数のパルスレーザ光を波長によって複数の光路に分岐する分岐手段を備え、
前記分散調節手段が、各前記光路に設けられた複数の分散補償光学系を備えている請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記分散調節手段が、一対の周波数分散素子からなる複数の分散補償光学系を備え、
該複数の分散補償光学系は、前記一対の周波数分散素子のうち前段側に配置された一方を共有し、該一方は、前記複数のパルスレーザ光が入射されて該パルスレーザ光を波長によって他方に分散し、該他方は前記一方と協働して一の波長のパルスレーザ光に負の周波数分散を付与する請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
前記波長の異なる複数のパルスレーザ光を合成する合成手段を備え、
前記分散調節手段が、
前記合成手段の前段において前記波長の異なる複数のパルスレーザ光のうち一のパルスレーザ光を除くパルスレーザ光に正の周波数分散を付与する正分散素子と、
前記合成手段によって合成された前記波長の異なる複数のパルスレーザ光に対して、前記一のパルスレーザ光が前記標本上において略フーリエ限界パルスに近づくような負の周波数分散を付与する単一の分散補償光学系とを備えている請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
前記波長変換手段が、前記レーザ光源からの前記極短パルスレーザ光を２つに分岐する分岐手段と、該分岐手段により分岐された２つの前記極短レーザ光のうち一方の波長を変換する波長変換素子とを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
前記分散調節手段が、
前記レーザ光源と前記分岐手段との間において、前記極短パルスレーザ光が前記標本上において略フーリエ限界パルスとなるように前記極短パルスレーザ光の周波数分散量を調節する第１の分散補償光学系と、
前記分岐手段と前記波長変換素子との間において、前記分岐手段により分岐された一方の前記極短パルスレーザ光が前記波長変換素子の入射位置において略フーリエ限界パルスとなるように該極短パルスレーザ光に正の周波数分散を付与する正分散素子と、
前記波長変換素子の後段において、該波長変換素子により生成されたパルスレーザ光が前記標本上において略フーリエ限界パルスとなるように該パルスレーザ光の周波数分散量を調節する第２の分散補償光学系とを備える請求項７に記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
各パルスレーザ光の出力を変調する光変調器を備える請求項１から請求項８のいずれかに記載のレーザ光源装置。
【請求項１０】
前記光変調器が、音響光学変調器または電気光学変調器である請求項９に記載のレーザ光源装置。
【請求項１１】
前記光変調器が、各前記パルスレーザ光の出力のオンオフを行う請求項９または請求項１０に記載のレーザ光源装置。
【請求項１２】
各パルスレーザ光の波面形状を調節するビーム整形光学系を備える請求項１から請求項１１のいずれかに記載のレーザ光源装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載のレーザ光源装置と、
前記導入光学系から射出された合成された前記パルスレーザ光が導入され、該パルスレーザ光を標本上に照射する照射光学系とを備えるレーザ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源装置およびレーザ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ顕微鏡用の光源装置として、単一光源から発せられた１つの波長のレーザ光を２つに分岐し、一方のレーザ光の波長を光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）によって変換することにより、複数の波長のレーザ光を生成するものが知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。
【０００３】
このような光源装置によれば、複数の光源を使用した光源装置と比べ、特にフェムト秒パルスレーザ光やピコ秒パルスレーザ光のようなパルス幅が非常に短いパルスレーザ光を用いる場合に、複数のレーザ光間のタイミング制御が容易になる。したがって、複数の波長の極短パルスレーザ光を使用して、多重染色された標本からの複数の蛍光を同時に観察したり、光刺激と観察とを同時に行ったりするのに適している。また、複数の光源を備えた装置に比べて安価な構成で複数の波長のレーザ光を使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１９６２５２号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００７８３６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＯＰＯによって十分な波長変換効率を得るためにはＯＰＯに入射するレーザ光を略フーリエ限界パルスにしてパワー密度を高める必要がある。したがって、ＯＰＯから出力される波長変換後のレーザ光もフーリエ限界パルスに近い状態となる。このようなレーザ光をそのままレーザ顕微鏡に導光して標本に照射した場合、光路の途中位置に配置された対物レンズやその他の光学素子が有する周波数分散によってレーザ光のパルス幅が略フーリエ限界パルス幅よりも広がる。そのため、多光子励起効果による蛍光観察や光刺激を行う場合には、多光子励起効果を効率的に発生させることができず、また、標本に与えるダメージが大きくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、単一のレーザ光から複数の波長のレーザ光を生成しつつ、各レーザ光により多光子励起効果を高効率で発生させることができるレーザ光源装置およびレーザ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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、波長の異なる複数の極短パルスレーザ光を標本に照射する照射光学系を備え前記複数の極短パルスレーザ光によって前記標本に対して操作を行う光学装置に前記極短パルスレーザ光を導入するレーザ光源装置であって、極短パルスレーザ光を射出する単一のレーザ光源と、該レーザ光源から射出された極短パルスレーザ光のうち少なくとも一部の波長を変換することにより波長の異なる複数のパルスレーザ光を生成する波長変換手段と、該波長変換手段によって生成された各パルスレーザ光の周波数分散量を調節する分散調節手段と、該分散調節手段によって周波数分散量が調節された複数のパルスレーザ光を射出する導入光学系とを備え、前記分散調節手段は、前記導入光学系から前記光学装置の前記照射光学系に導入された各パルスレーザ光が前記標本上において略フーリエ限界パルスに近づくように各パルスレーザ光の周波数分散量を調節するレーザ光源装置を提供する。
【０００８】
本発明によれば、レーザ光源から射出された極短パルスレーザ光は、波長変換手段によって変換されることにより波長の異なる複数のパルスレーザ光となった後、分散調節手段によって周波数分散量が調節されてから導入光学系によって再び１つに合成されて他の光学装置が備える照射光学系に向けて射出される。光学装置は、照射光学系から標本に複数の波長のパルスレーザ光を照射することにより、標本の観察、計測、光刺激または加工等の操作を標本に対して行う。
【０００９】
この場合に、導入光学系に入射される各パルスレーザ光は、標本上に略フーリエ限界パルスに近づくように、照射光学系が有する周波数分散を考慮してその周波数分散量が分散調節手段によって調節されている。これにより、単一のレーザ光から複数の波長のレーザ光を生成しつつ、照射光学系から標本に照射された各パルスレーザ光により多光子励起効果を高効率で発生させることができる。
【００１０】
上記発明においては、前記波長変換手段が、光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を備えていてもよい。
このようにすることで、ＯＰＯに入射された１つの波長の極短パルスレーザ光から２つの波長のパルスレーザ光を生成することができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記分散調節手段が、プリズム対、グレーティング対またはチャープミラーを備えることとしてもよい。
このようにすることで、簡便な構成で各パルスレーザ光の周波数分散量を調節することができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記波長の異なる複数のパルスレーザ光を波長によって複数の光路に分岐する分岐手段を備え、前記分散調節手段が、各前記光路に設けられた複数の分散補償光学系を備えていることとしてもよい。
このようにすることで、各パルスレーザ光の周波数分散量を各分散補償光学系によって独立に調節することができる。
【００１３】
また、上記発明においては、前記分散調節手段が、一対の周波数分散素子からなる複数の分散補償光学系を備え、該複数の分散補償光学系は、前記一対の周波数分散素子のうち前段側に配置された一方を共有し、該一方は、前記複数のパルスレーザ光が入射されて該パルスレーザ光を波長によって他方に分散し、該他方は前記一方と協働して一の波長のパルスレーザ光に負の周波数分散を付与してもよい。
このようにすることで、一方の周波数分散素子により複数のパルスレーザ光が波長毎に分散され、パルスレーザ光の周波数分散量が他方の周波数分散素子により波長毎に別々に調節される。これにより、複数のパルスレーザ光を波長毎に別々の光路に分岐して各光路に分散補償光学系を設ける構成と比べて、光路をパルスレーザの数と同じ数だけ設ける必要がないので、光路の構成を簡素にすることができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記波長の異なる複数のパルスレーザ光を合成する合成手段を備え、前記分散調節手段が、前記合成手段の前段において前記波長の異なる複数のパルスレーザ光のうち最も波長の短いパルスレーザ光を除くパルスレーザ光に正の周波数分散を付与する正分散素子と、前記合成手段によって合成された前記波長の異なる複数のパルスレーザ光に対して、前記最も波長の短いパルスレーザ光が前記標本上において略フーリエ限界パルスに近づくような負の周波数分散を付与する単一の分散補償光学系とを備えていることとしてもよい。
【００１５】
一般に、光学系がパルスレーザ光に与える周波数分散の大きさはパルスレーザ光の波長に依存し、パルスレーザ光は波長が短いほど光学系から大きな周波数分散を受ける。したがって、最も波長の短いパルスレーザ光の周波数分散を最適に補償する負の周波数分散を単一の分散補償光学系によって全てのパルスレーザ光に付与し、分散補償光学系によって他のパルスレーザ光に過剰に付与される負の周波数分散を正分散素子によって相殺する。これにより、共通の分散補償光学系を使用しつつ複数のパルスレーザ光の周波数分散を適切に補償することができる。
【００１６】
また、上記発明においては、前記波長変換手段が、前記レーザ光源からの前記極短パルスレーザ光を２つに分岐する分岐手段と、該分岐手段により分岐された２つの前記極短レーザ光のうち一方の波長を変換する波長変換素子とを備えていてもよい。
【００１７】
また、上記発明においては、前記分散調節手段が、前記レーザ光源と前記分岐手段との間において、前記極短パルスレーザ光が前記標本上において略フーリエ限界パルスとなるように前記極短パルスレーザ光の周波数分散量を調節する第１の分散補償光学系と、前記分岐手段と前記波長変換素子との間において、前記分岐手段により分岐された一方の前記極短パルスレーザ光が前記波長変換素子の入射位置において略フーリエ限界パルスとなるように該極短パルスレーザ光に正の周波数分散を付与する正分散素子と、前記波長変換素子の後段において、該波長変換素子により生成されたパルスレーザ光が前記標本上において略フーリエ限界パルスとなるように該パルスレーザ光の周波数分散量を調節する第２の分散補償光学系とを備えていてもよい。
【００１８】
また、上記発明においては、各パルスレーザ光の出力を変調する光変調器を備えることとしてもよい。
単一の極短パルスレーザ光から生成された複数のパルスレーザ光には強度のばらつきが生じる。したがって、光変調器によって各パルスレーザ光の出力を調節することにより、いずれのパルスレーザ光によっても適切な多光子励起効果を発生させることができる。このような前記光変調器としては、音響光学変調器または電気光学変調器が好ましい。
【００１９】
また、上記発明においては、前記光変調器が、各前記パルスレーザ光の出力のオンオフを行うこととしてもよい。
このようにすることで、波長の異なるパルスレーザ光を時分割で照射光学系に導入することができる。これにより、例えば、複数のパルスレーザ光によって標本に含まれる複数の蛍光を励起する場合に、これらの蛍光を時間で区別しながら共通の光検出器によって検出することができる。
【００２０】
また、上記発明においては、各パルスレーザ光のビーム径と波面形状を調節するビーム整形光学系を備えることとしてもよい。
このようにすることで、照射光学系が備える対物レンズの入射瞳の形状と一致するようにビーム整形光学系によって各パルスレーザ光のビーム径と波面形状を調節することにより、各パルスレーザ光を適切に光学装置に導入することができる。
【００２１】
また、本発明は、上記いずれかに記載のレーザ光源装置と、前記導入光学系から射出された合成された前記パルスレーザ光が導入され、該パルスレーザ光を標本上に照射する照射光学系とを備えるレーザ顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、単一のレーザ光から複数の波長のレーザ光を生成しつつ、各レーザ光により多光子励起効果を高効率で発生させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ光源装置の全体構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るレーザ顕微鏡の全体構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るレーザ光源装置の全体構成図である。
【図４】図３のレーザ光源装置の第１の変形例を示す部分的な構成図である。
【図５】図４のレーザ光源装置の変形例を示す部分的な構成図である。
【図６】図４のレーザ光源装置のもう１つの変形例を示す部分的な構成図である。
【図７】図６のレーザ光源装置の変形例を示す部分的な構成図である。
【図８】図３のレーザ光源装置の第２の変形例を示す部分的な構成図である。
【図９】図８のレーザ光源装置の変形例を示す部分的な構成図である。
【図１０】図８のレーザ光源装置のもう１つの変形例を示す部分的な構成図である。
【図１１】図１０のレーザ光源装置の変形例を示す部分的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の第１の実施形態に係るレーザ光源装置１について図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係るレーザ光源装置１は、図１に示されるように、フェムト秒パルスレーザ光（極短パルスレーザ光）を射出する単一のレーザ光源２と、該レーザ光源２からのフェムト秒パルスレーザ光（以下、ポンプ光Ｌｐという。）の波長を変換して波長の異なる２つのパルスレーザ光（以下、シグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉという。）を生成する波長変換手段３と、３つのパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉを第１〜第３の光路Ｐ１〜Ｐ３に分岐する分岐手段４と、各光路Ｐ１〜Ｐ３に配置された分散補償光学系（分散調節手段）５１〜５３、高速出力変調器（光変調器）６１〜６３およびビーム整形光学系７１〜７３と、３つの光路Ｐ１〜Ｐ３を導光されてきたパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉを合成して射出する導入光学系８とを備えている。
【００２５】
波長変換手段３は、第２高調波（ＳＨＧ）素子３１と、波長変換素子としての光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）３２とを備えている。
ＳＨＧ素子３１は、入射されたポンプ光Ｌｐから該ポンプ光Ｌｐの第２高調波を生成して出力する。
ＯＰＯ３２は、ＳＨＧ素子３１から出力されたポンプ光Ｌｐの第２高調波を差周波に波長変換し、波長の異なるシグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉを生成する。ポンプ光Ｌｐの第２高調波の周波数ω１と、ＯＰＯ３２から出力されるシグナル光Ｌｓの周波数ω２およびアイドラー光Ｌｉの周波数ω３（ω３＜ω２）との間には、ω１＝ω２＋ω３の関係が成立する。
【００２６】
分岐手段４は、レーザ光源２の直後段に配置された部分反射ミラー（分岐手段、波長変換手段）ＨＭ１と、該部分反射ミラーＨＭ１との間にＳＨＧ素子３１およびＯＰＯ３２を挟んで配置されたダイクロイックミラーＤＭ１とを備えている。部分反射ミラーＨＭ１は、入射された光の一部を反射し他を透過するミラーであり、反射する光と透過する光の光量の比率は適宜設計される。
【００２７】
レーザ光源２からのポンプ光Ｌｐの半分は部分反射ミラーＨＭ１によって反射されることにより第１の光路Ｐ１を導光する。一方、ポンプ光Ｌｐの他の半分は部分反射ミラーＨＭ１を透過してＳＨＧ素子３１に入射し、ＯＰＯ３２からシグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉとして射出させられる。そして、シグナル光ＬｓはダイクロイックミラーＤＭ１を透過して第２の光路Ｐ２を導光し、アイドラー光ＬｉはダイクロイックミラーＤＭ１によって反射されて第３の光路Ｐ３を導光する。符号Ｍ１，Ｍ２は、部分反射ミラーＨＭ１によって反射されたポンプ光ＬｐおよびダイクロイックミラーＤＭ１によって反射されたアイドラー光Ｌｉを偏向するミラーである。
【００２８】
分散補償光学系５１〜５３はそれぞれ、入射したパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉに負の周波数分散を付与する。各分散補償光学系５１〜５３が各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉに付与する周波数分散量は、後述するようにレーザ光源装置１が組み合わせられる顕微鏡本体２０が備える照射光学系２１の周波数分散に応じて決定される。このような分散補償光学系５１〜５３としては、例えば、プリズム対、グレーティング対またはチャープミラーが用いられる。
【００２９】
高速出力変調器６１〜６３は、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）または電気光学変調器（ＥＯＭ）である。高速出力変調器６１〜６３はそれぞれ、入射したパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉの出力を所定の大きさに変調して出力する。また、高速出力変調器６１〜６３は、後述するように、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉの出力をオンオフすることによりこれら３つのパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉの出力のタイミングを制御する。
ビーム整形光学系７１〜７３はそれぞれ、入射した各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉのビーム径と波面形状を、対物レンズ２５（後述）の入射瞳に対して適切に整形して出力する。
【００３０】
導入光学系８は、２つの光路に１つずつ配置されたミラーＭ３，Ｍ４と、残りの１つの光路に配置された２つのダイクロイックミラーＤＭ２，ＤＭ３とによって構成されている。図示される例では、ミラーＭ３，Ｍ４は第１の光路Ｐ１および第３の光路Ｐ３に配置され、ダイクロイックミラーＤＭ２，ＤＭ３は第２の光路Ｐ２に配置されている。ポンプ光Ｌｐおよびシグナル光ＬｓはそれぞれミラーＭ３，Ｍ４によって第２の光路Ｐ２の方向に偏向される。前段のダイクロイックミラーＤＭ２は、偏向されたポンプ光Ｌｐを第２の光路Ｐ２の延長線上に反射し、シグナル光Ｌｓを透過させる。後段のダイクロイックミラーＤＭ３は、アイドラー光Ｌｉを第２の光路Ｐ２の延長線上に反射し、シグナル光Ｌｓおよびポンプ光Ｌｐを透過させる。これにより、３つのパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉが第２の光路Ｐ２の延長上において合成させられて合成光Ｌとして外部に射出される。
【００３１】
次に、このように構成されたレーザ光源装置１を備えるレーザ顕微鏡１００の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡１００は、波長の異なる複数の極短パルスレーザ光による多光子励起効果を利用して標本Ａに含まれる複数種類の蛍光を観察するものであり、図２に示されるように、レーザ光源装置１と、顕微鏡本体（光学装置）２０とを備えている。
【００３２】
顕微鏡本体２０は、レーザ光源装置１から射出された合成光Ｌが導入され該合成光Ｌを標本Ａに照射する照射光学系２１と、合成光Ｌの照射により標本Ａにおいて発生した蛍光を検出する検出光学系２８とを備えている。照射光学系２１は、導入された合成光Ｌをラスタ方式で２次元的に走査するスキャナ２３およびレンズ群２４と、スキャナ２３により走査された合成光Ｌを標本Ａ上に集光して照射するとともに標本Ａからの蛍光を集光する対物レンズ２５とを備えている。図中、符号２６は標本Ａが載置されるステージを、符号ＤＭ４はダイクロイックミラーを示している。検出光学系２８は、レンズ２７と、単一の光検出器２２とを備えている。
【００３３】
次に、このように構成されたレーザ光源装置１およびレーザ顕微鏡１００の作用について説明する。
まず、レーザ光源２を作動させてフェムト秒パルスレーザ光を射出させると、フェムト秒パルスレーザ光は部分反射ミラーＨＭ１によって２つに分岐され、一方はポンプ光Ｌｐとして第１の光路Ｐ１を導光し、他方はＳＨＧ素子３１およびＯＰＯ３２によって周波数変換されてシグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉとなる。すなわち、部分反射ミラーＨＭ１およびＯＰＯ３２により、フェムト秒パルスレーザ光から互いに波長の異なる３つのパルスレーザ光が生成される。シグナル光Ｌｓおよびアイドラー光ＬｉはダイクロイックミラーＤＭ１によって分岐されて第２の光路Ｐ２と第３の光路Ｐ３とをそれぞれ導光する。
【００３４】
ポンプ光Ｌｐは、第１の光路Ｐ１を導光する間に、分散補償光学系５１によって周波数分散量が調節され、高速出力変調器６１によって出力が調節され、ビーム整形光学系７１によってビーム径と波面形状が調節される。シグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉも同様に、各光路Ｐ２，Ｐ３を導光する間に分散補償光学系５２，５３、高速出力変調器６２，６３およびビーム整形光学系７２，７３によって周波数分散量、出力、ビーム径と波面形状がそれぞれ調節される。
【００３５】
ここで、各分散補償光学系５１〜５３が各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉに付与する周波数分散量は、顕微鏡本体２０が備えるレンズ群２４および対物レンズ２５が有する周波数分散によって決定される。すなわち、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉは、レンズ群２４および対物レンズ２５を通過する間に、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉに含まれる周波数成分によって伝搬する速度が異なるがことが要因で、入射時のパルス幅に対して射出時のパルス幅は広がってしまう。このパルス幅の広がりを相殺する負の周波数分散を各分散補償光学系５１〜５３はパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉに対してそれぞれ付与する。これにより、標本Ａ上において各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉは、略フーリエ限界パルスとなる。
【００３６】
周波数分散量が調節された各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉは導入光学系８によって１つに合成されて合成光Ｌとなる。合成光Ｌは、顕微鏡本体２０に入射させられ、スキャナ２３によって２次元的に走査された後、レンズ群２４と対物レンズ２５を介して標本Ａ上に集光される。これにより、標本Ａから各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉに対応する蛍光が発生させられる。蛍光は、対物レンズ２５によって集光された後、ダイクロイックミラーＤＭ４によって反射され、集光レンズ２７を介して光検出器２２によって検出される。
【００３７】
ここで、各高速出力変調器６１〜６３は、スキャナ２３の走査周期に同期させ、スキャナ２３が１ラインまたは１フレーム走査する毎にパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉが順番に切り替わるようにパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉの出力のタイミングを調節する。これにより、複数の波長の蛍光が時分割で光検出器２２に入射するので、単一の光検出器２２を使用しつつ各蛍光を別々に画像化することができる。
【００３８】
光検出器２２によって検出された蛍光の強度は、その励起光であるパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉ毎に、標本Ａ上での集光位置の座標と対応付けて記憶される。これにより、励起波長の異なるパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉによって励起された３種類の蛍光の２次元的な蛍光画像を得ることができる。
【００３９】
このように、本実施形態に係るレーザ光源装置１およびレーザ顕微鏡１００によれば、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉが標本Ａ上において略フーリエ限界パルスとなるように、顕微鏡本体２０に導入される各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉの周波数分散量が調節されているので、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉによって多光子励起効果を効率良く発生させ、鮮明な蛍光画像を得ることができる。また、パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉの照射による標本Ａへのダメージを最小限に抑えることができる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、３つのパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉのうち１つまたは２つを標本Ａの光刺激に用い、他のパルスレーザ光によって蛍光画像を観察することとしてもよい。この場合には、高速出力変調器６１〜６３は、光刺激用のパルスレーザ光が蛍光画像観察用のパルスレーザ光と同時に標本Ａに照射されるように、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓ，Ｌｉの出力のタイミングを制御してもよい。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施形態に係るレーザ光源装置１’について図３〜図１１を参照して説明する。本実施形態の説明において、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して省略する。
本実施形態に係るレーザ光源装置１’は、図３に示されるように、２つのパルスレーザ光を外部に射出する点、これら２つのパルスレーザ光を合成した後に周波数分散量を調節する点、および、合成光Ｌ’に対して高速出力変調器およびビーム整形光学系が設けられている点において主に第１の実施形態と異なっている。
【００４２】
具体的には、分岐手段４’は、図１におけるダイクロイックミラーＤＭ１が省略されて部分反射ミラーＨＭ１のみから構成され、波長変換手段３’は、ＯＰＯ３２から出力されたシグナル光Ｌｓとアイドラー光Ｌｉのうち一方（本実施形態においてはアイドラー光Ｌｉ）を遮断するカットフィルタ９をＯＰＯ３２の後段に備えている。第１の光路Ｐ１を導光したポンプ光Ｌｐおよびカットフィルタ９を透過して第２の光路Ｐ２を導光したシグナル光Ｌｓは、ダイクロイックミラーＤＭ２（合成手段）とミラーＭ３（合成手段）とによって合成されて合成光Ｌ’となり、分散補償光学系（分散調節手段）１０に入射する。
【００４３】
分散補償光学系１０は、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓに対して１つずつ設けられ、合成光Ｌ’をポンプ光Ｌｐとシグナル光Ｌｓとに分光する第１のプリズム（周波数分散素子）１０ａと、第２のプリズム（周波数分散素子）１０ｂと、ミラー１０ｃとを備えている。第１のプリズム１０ａは、２つの分散補償光学系１０によって共有されている。第１のプリズム１０ａを通過したパルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓはそれぞれ、第２のプリズム１０ｂを通過した後にミラー１０ｃによって折り返されて再度第２プリズム１０ｂおよび第１のプリズム１０ａを通過して第２の光路Ｐ２の延長線上に戻されるようになっている。
【００４４】
ここで、第２のプリズム１０ｂおよびミラー１０ｃを一体で矢印の方向に移動させて第１のプリズム１０ａと第２のプリズム１０ｂとの間の光路長を調節することにより、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓに与える負の周波数分散量を調節することができる。なお、第１のプリズム１０ａおよび第２のプリズム１０ｂに代えて回折格子（図示略）を用いてもよい。
【００４５】
第２の光路Ｐ２に戻されたポンプ光Ｌｐおよびシグナル光Ｌｓは、ミラーＭ５によって偏向されて高速出力変調器６に入射する。なお、ミラーＭ５が分散補償光学系１０に入射する合成光Ｌ’に干渉しないように、これら２つの合成光Ｌ’の高さ（参照する図面において紙面に垂直な方向の位置）が例えばミラー１０ｃの角度によって調節されている。
【００４６】
高速出力変調器６は、例えば、音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＴＦ）である。高速出力変調器６は、第１の実施形態における高速出力変調器６１〜６３のように、スキャナ２３の走査周期に同期させてポンプ光Ｌｐおよびシグナル光Ｌｓを順番に切り替えて出力する。なお、高速出力変調器６は、用途に応じてポンプ光Ｌｐおよびシグナル光Ｌｓの両方を同時に出力することもできる。また、高速出力変調器６としてＡＯＭが用いられてもよい。この場合、ＡＯＭは、変調周波数を変化させることによってポンプ光Ｌｐとシグナル光Ｌｓとを順番に切り替えて出力する。
【００４７】
このように構成されたレーザ光源装置１’は、第１の実施形態と同様に、図２に示される顕微鏡本体２０と共にレーザ顕微鏡を構成することができる。すなわち、本実施形態に係るレーザ顕微鏡は、図２においてレーザ光源装置１をレーザ光源装置１’に置き換えたものである。
【００４８】
このように構成された本実施形態に係るレーザ光源装置１’およびレーザ顕微鏡によれば、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓが標本Ａ上において略フーリエ限界パルスとなるように分散補償光学系１０によって周波数分散量が調節されているので、各パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓによって多光子励起効果を効率良く発生させ、鮮明な蛍光画像を得ることができる。また、パルスレーザ光Ｌｐ，Ｌｓの照射による標本Ａへのダメージを最小限に抑えることができる。
【００４９】
なお、本実施形態に係るレーザ光源装置１’は、以下のように変形されることとしてもよい。
本実施形態に係るレーザ光源装置１’の第１の変形例は、図４に示されるように、アイドラー光Ｌｉもポンプ光Ｌｐおよびシグナル光Ｌｓとともに合成光Ｌとして射出されるように構成したものである。すなわち、カットフィルタ９が省略され、もう１つの分散補償光学系１０を備える。この場合、ダイクロイックミラーＤＭ２’は、シグナル光Ｌｓとアイドラー光Ｌｉの両方を透過させる。なお、図４〜図１１において、高速出力変調器６およびビーム整形光学系７は図示が省略されている。
【００５０】
第１の変形例においては、図５に示されるように、部分反射ミラーＨＭ１を省略することにより、シグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉのみが合成光Ｌ”として射出されるように構成することもできる。
【００５１】
また、第１の変形例においては、図６に示されるように、ポンプ光Ｌｐを分岐する部分反射ミラーＨＭ１の前段に分散補償光学系５が備えられていてもよい。分散補償光学系５は、ポンプ光Ｌｐが標本Ａ上において略フーリエ限界パルスとなるような負の周波数分散量をポンプ光Ｌｐに付与する。この構成においては、部分反射ミラーＨＭ１を透過したポンプ光ＬｐがＳＨＧ素子３１に入射する前に、ポンプ光Ｌｐに正の周波数分散を付与してポンプ光ＬｐをＳＨＧ素子３１への入射位置で略フーリエ限界パルス化する正分散素子（分散調節部）１１がＳＨＧ素子３１の前段に設けられている。
【００５２】
図７に示されるレーザ光源装置１’−４は、図６に示されるレーザ光源装置１’−３の変形例であり、ＯＰＯ３２の後段にカットフィルタ９を設け、シグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉの一方（図示する例ではシグナル光Ｌｓ）を選択してポンプ光Ｌｐと合成するように構成したものである。
【００５３】
本実施形態に係るレーザ光源装置１’の第２の変形例は、図８に示されるように、分散補償光学系１０’が、ポンプ光Ｌｐとシグナル光Ｌｓの周波数分散を共通の第２のプリズム１０ｄおよびミラー１０ｃを使用して調節するように構成したものである。この場合、第２のプリズム１０ｄおよびミラー１０ｃの位置は、一方のパルスレーザ光（図示する例ではポンプ光Ｌｐ）が標本Ａ上で略フーリエ限界パルスとなるような負の周波数分散をポンプ光Ｌｐとシグナル光Ｌｓに付与するように調節される。
【００５４】
ここで、シグナル光Ｌｓの波長がポンプ光Ｌｐの波長よりも短い場合には、正の周波数分散をシグナル光Ｌｓに付与する正分散素子（分散調節部）１１’がカットフィルタ９の後段に設けられ、分散補償光学系１０’によりシグナル光Ｌｓに過剰に付与される負の周波数分散を正分散素子（分散調節部）１１’が相殺するように構成される。
【００５５】
第２の変形例においては、図９に示されるように、部分反射ミラーＨＭ１およびカットフィルタ９を省略することにより、ポンプ光Ｌｐに代えてアイドラー光Ｌｉがシグナル光Ｌｓと共に合成光Ｌ”として射出されるように構成することもできる。この場合も、第２のプリズム１０ｄの位置は、一方のレーザ光（図示する例ではシグナル光Ｌｓ）が標本Ａ上で略フーリエ限界パルスとなるような負の周波数分散をアイドラー光Ｌｉとシグナル光Ｌｓに付与するように調節される。
ここで、アイドラー光Ｌｉの波長がシグナル光Ｌｓの波長よりも長い場合には、アイドラー光Ｌｉに過剰に付与される負の周波数分散を相殺する正分散素子１１”が第３の光路Ｐ３に設けられる。
【００５６】
また、第２の変形例においては、図１０に示されるように、カットフィルタ９を省略し、アイドラー光Ｌｉもポンプ光Ｌｐおよびシグナル光Ｌｓとともに合成光Ｌとして射出されるように構成することもできる。ここで、シグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉの波長がポンプ光Ｌｐの波長よりも長い場合には、分散補償光学系１０’によりシグナル光Ｌｓおよびアイドラー光Ｌｉに付与される過剰な負の周波数分散を相殺するために、第２の光路Ｐ２および第３の光路Ｐ３にはそれぞれ正分散素子１１’，１１”が設けられる。
【００５７】
また、第２の変形例においては、図１１に示されるように、部分反射ミラーＨＭ１の前段に設けられた分散補償光学系５によってポンプ光Ｌｐの周波数分散を標本Ａ上において略フーリエ限界パルスとなるように調節し、分散補償光学系１０’によってシグナル光Ｌｓの周波数分散を最適に補償し、正分散素子１１および分散補償光学系１０’によってアイドラー光Ｌｉに付与される過剰な負の周波数分散を正分散素子１１’によって相殺するように構成することもできる。
【００５８】
なお、上述した第１および第２の実施形態のうち図１，６，７，１１に記載の構成においては、各パルスレーザ光の合波を、図２に示されるスキャナ２３と対物レンズ２５との間の光路で行ってもよい。このようにすることで、２つ以上のパルスレーザ光を標本の任意の位置で走査することができる。
【００５９】
また、第１および第２の実施形態においては、光学装置として顕微鏡装置を例示したが、レーザ光源装置が組み合わせられる光学装置はこれに限定されるものではない。上述したレーザ光源装置１，１’−１〜１’−８は、光刺激や各種の光学計測、加工など、複数の波長のパルスレーザ光を使用して標本に対して操作を行う他の光学装置とも組み合わせて用いられることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１，１’，１’−１〜１’−８  レーザ光源装置
２  レーザ光源
３，３’  波長変換手段
３１  第２高調波素子
３２  光パラメトリック発振器（波長変換素子）
４，４’，４”  分岐手段
５，５１〜５３  分散補償光学系（分散調節手段）
６，６１〜６３  高速出力変調器（光変調器）
７，７１〜７３  ビーム整形光学系
８，８−１〜８−９  導入光学系
９  カットフィルタ
１０，１０’  分散補償光学系（分散調節手段）
１０ａ，１０ｂ，１０ｄ  プリズム（周波数分散素子）
１０ｃ  ミラー
１１，１１’，１１”  正分散素子（分散調節部）
２０  顕微鏡本体（光学装置）
２２  光検出器
２３  スキャナ
２４  レンズ群
２５  対物レンズ
ＨＭ１  部分反射ミラー（分岐手段、波長変換手段）
Ｍ１〜Ｍ６  ミラー
ＤＭ１〜ＤＭ５  ダイクロイックミラー
【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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