(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)超短光パルスを試料中の目的点に集光し、
b)試料中の該目的点で生成される高調波と、高調波発生器により該超短光パルスから得られる高調波との干渉波を検出しつつ、該超短光パルスの集光点を該超短光パルスの光路方向に移動させ、
c)その間に得られる干渉波のデータを微分することにより、その間の各点の物性値を得る
ことを特徴とする高調波干渉式分析方法。
【請求項２】
集光点を超短光パルスの光路方向に垂直な面内で移動させることにより試料内各点の物性値を得ることを特徴とする請求項１に記載の高調波干渉式分析方法。
【請求項３】
a)超短光パルス発生源と、
b)該発生源からの超短光パルスを試料中の目的点に集光するとともに、該集光点を該超短光パルスの光路方向に移動させることのできる集光光学系と、
c)該発生源からの超短光パルスを高調波に変換する高調波変換手段と、
d)該目的点で生成された高調波と該高調波変換手段で生成された高調波の合一光路に配置され、両高調波の干渉波のみを取り出すフィルタと、
e)上記干渉波を検出する検出器と、
f)前記超短光パルスの集光点を移動させつつ、前記検出器により検出された干渉波のデータを微分することにより、その間の各点の物性値を得る物性値測定手段と
を備えることを特徴とする高調波干渉式分析装置。
【請求項４】
更に、上記目的点を試料中で走査する走査手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の高調波干渉式分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短光パルスと物質との非線形相互作用により生成される高調波を利用した試料分析法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェムト秒（10-15秒）オーダーの超短光パルスを空間的にも収束して物質に照射すると、その点におけるエネルギ密度は非常に高いものとなり、超短光パルスとその物質との間で線形及び非線形相互作用が生じる。その結果、各種の現象が生じるが、その一つに非線形相互作用に起因する高調波の発生がある。ここで発生する高調波の強度（振幅）がその物質のその点における物性に依存することからこの現象を顕微鏡として利用することが既に提案されている（例えば、J. N. Gannaway and C. J. R. Sheppard, “Second-harmonic imaging in the scanning optical microscope,” Opt. and Quant. Elect. 10, 435-439 (1978)、R. Gauderon, P. B. Lukins and C. J. R. Sheppard, "Three-dimensional second-harmonic generation imaging with femtosecond laser pulses," Opt. Lett. 23, 1209-1211 (1998)、D. Yelin and Y. Silberberg, "Laser scanning third-harmonic-generation microscopy in biology", OPTICS EXPRESS 5, 169-175 (1999))
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の高調波映像法（harmonic-generation microscopy）では、試料中で生成される高調波の強度（振幅）の変化を捕捉することにより試料内各点の非線形常数の空間分布を得ることができるが、これにより得られる情報には試料の屈折率の分布が含まれない。しかし、密度等の物性には殆ど変化が無いが、その光学的異方性等による屈折率の変化が構造解析に重要であることが、特に生体試料の場合には多い。
【０００４】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、試料内の屈折率分布を得ることのできる高調波分析法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る高調波干渉式分析方法は、
a)超短光パルスを試料中の目的点に集光し、
b)試料中の該目的点で生成される高調波と、高調波発生器により該超短光パルスから得られる高調波とを干渉させ、
c)該干渉波を検出することにより、試料の該目的点の物性値を得る、
ことを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
前記の通り、超短光パルスを物質中で集光させると、その集光点において超短光パルスと物質との間で非線形相互作用が生じ、超短光パルス基本波の高調波（高調波Ａ）が生成される。この高調波Ａは、その発生点においては基本波と同一の位相を有するが、発生点以降の試料を通過する間に、その間の試料各点の屈折率に依存して基本波に対して位相ズレを生じる。
【０００７】
従って、試料の外で、高調波発生手段（高調波発生結晶等）を用いて超短光パルスの基本波より同じく高調波（高調波Ｂ）を生成し、それを試料内を伝播してきた高調波Ａと干渉させることにより、発生点以降の試料各点の屈折率の情報を有する干渉波が生成される。そこで、集光点（高調波Ａの発生点）を光路方向（これをz方向と呼ぶ）に移動させつつ干渉波の測定を行い、それにより得られるデータをz方向で微分することにより、移動範囲内のz軸上の屈折率分布を得ることができる。そして、集光点をz方向に垂直な面（xy面）内で移動させることにより、試料内の屈折率の３次元分布を得ることができる。
【０００８】
上記方法で試料の分析を行うための装置は、例えば図１に示すような構成となる。図中、１０は超短光パルス光源であり、これにはErドープ・ファイバレーザ、モードロックTi:サファイアレーザあるいはモードロックCr:フォルステライトレーザ（特開平11-284260）等を用いることができる。光源１０で生成された超短光パルスは、照射光学系１１により試料１２の目的点１２ａに集光される。目的点１２ａにおいて、超短光パルスと試料物質との間で線形及び非線形相互作用が生じ、非線形相互作用の効果の一つとして超短光パルスの基本波の高調波が発生する。試料１２内で発生したこの高調波を高調波Ａとする。
【０００９】
目的点１２ａで発生した高調波Ａは、超短光パルスの基本波とともに試料１２の残り部分（図１のz1〜z2の部分）を通過し、試料１２の外に出た後、検出光学系１３により検出器１６に送られる。このうち、超短光パルスの基本波は検出器１６の前に置かれた高調波発生器１４において、別の高調波（これを高調波Ｂとする）を生成する。高調波発生器１４としては、２次高調波発生（SHG）には例えばKDP(KH2PO4)やLiNbO3、BaNaNb5O15，LBO等を使用することができる。３次高調波発生（THG）は結晶以外でも可能であり、液晶やNd:glass、気体等を使用することができる。
【００１０】
前記の通り、高調波Ａは試料１２の目的点１２ａにおいては基本波と同一の位相で生成されるものの、それ以降（z=z1〜z3）の伝播経路各点の屈折率により基本波から変調されるため、高調波Ｂとの干渉波にはz=z1〜z3の各点の屈折率による位相変調の積分値の情報が含まれている。すなわち、高調波Ａの複素振幅uh(x,y,z1)は次式１で表される。
【数１】
0003885574.tif 000002
ここで、Ａ、khは定数、i=(-1)1/2、nh(x,y,z)は高調波Ａが感じる試料１２及び空気の屈折率分布である。
一方、基本波の複素振幅u1は次式２で表される。
【数２】
0003885574.tif 000003
ここで、Ｂ、k1は定数、n1(x,y,z)は基本波が感じる試料１２及び空気の屈折率分布である。
干渉波の交流成分はこれらの振幅から次式３で求められるI(x,y,z1)の実数部となる。
【数３】
0003885574.tif 000004
通常、干渉波の空間周波数は十分高い。基本波と高調波の平均屈折率の違いを無視すれば、２次高調波（SH）の場合でも、真空中に換算して、干渉波の波長は800nm程度になる。従って、通常の可視〜近赤外フィルタ１５を使用し、その波長域の検出器１６を使用することにより、干渉波を検出することができる。
【００１１】
焦点１２ａの位置をz方向に移動させつつ干渉波の強度I(x,y,z1)を検出すると、z1−z3の距離が変化し、信号はz1の関数となる。それをz1で微分することにより、試料１２のz軸上の各点の屈折率の差の分布を得ることができる。生体を構成する物質の屈折率は物質毎に微妙に異なると考えられるため、可視光では識別不可能な構成物質の違いを本発明に係る方法により識別することが可能となり、生体の構造解析に大きく寄与する。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る方法では試料の屈折率分布を測定することができるため、特に生体試料の構造解析に適した分析方法として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る方法を実施する装置の一実施態様の構成図。
【符号の説明】
１０…超短光パルス光源
１１…照射光学系
１２…試料
１２ａ…分析目的点
１３…検出光学系
１４…高調波発生器
１５…干渉波フィルタ
１６…干渉波検出器
【図１】
0003885574.tif 000005