(57)【要約】【課題】試料に照射されるパルス光の強度の変動を防ぎ、試料本来の誘導ラマン散乱計測を行うことができる誘導ラマン散乱計測装置および計測方法を提供する。【解決手段】  第１および第２のパルス光のうち少なくとも一方を受光することで生じる２光子吸収に応じた信号を出力する光検出手段と、第１および第２のパルス光の各々を、試料に照射するパルス光と光検出手段に照射するパルス光とに分割する光分割手段とを有する。さらに、第１のパルス光を光検出手段に対して照射位置および照射タイミングが第２のパルス光と重なるように照射する第１の状態と、第１のパルス光を光検出手段に対して照射位置および照射タイミングの少なくとも一つが第２のパルス光と重ならないように照射する第２の状態とを周期的に発生させる光学機構とを有し、光検出手段の出力に基づいて、上記変調された光の強度を計測する。【選択図】図１
2016085123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパルス光と前記第１のパルス光とは異なる波長の第２のパルス光とを試料に照射することで、誘導ラマン散乱により変調された光の強度を計測する誘導ラマン散乱計測装置であって、
前記第１および第２のパルス光のうち少なくとも一方を受光することで生じる２光子吸収に応じた信号を出力する光検出手段と、
前記第１および第２のパルス光の各々を、前記試料に照射するパルス光と前記光検出手段に照射するパルス光とに分割する光分割手段と、
前記第１のパルス光を前記光検出手段に対して照射位置および照射タイミングが前記第２のパルス光と重なるように照射する第１の状態と、前記第１のパルス光を前記光検出手段に対して前記照射位置および前記照射タイミングの少なくとも一つが前記第２のパルス光と重ならないように照射する第２の状態とを周期的に発生させる光学機構と、を有し、
前記光検出手段の出力に基づいて、前記試料に照射される前記第１のパルス光の強度と前記第２のパルス光の強度との積が調整された場合の前記変調された光の強度を計測することを特徴とする誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項２】
前記光検出手段の出力から、前記第１の状態における前記光検出手段の出力と、前記第２の状態における前記光検出手段の出力との差分値を振幅とする信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段で抽出された信号に基づいて、前記差分値が所定の値となるように前記第１のパルス光または第２のパルス光の強度を調整する光強度調整手段とを更に有することを特徴とする請求項１に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項３】
前記光強度調整手段は、前記差分値が前記所定の値よりも大きい場合は第１のパルス光または第２のパルス光の強度を減衰し、前記差分値が前記所定の値よりも小さい場合は第１のパルス光または第２のパルス光の強度を増加することを特徴とする請求項２に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項４】
前記試料において変調されたパルス光の強度を検出する光変調検出手段と、
前記光検出手段の出力から、前記第１の状態における前記光検出手段の出力と前記第２の状態における前記光検出手段の出力との差分値を振幅とする信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段で抽出された信号に基づいて、前記差分値で、前記光変調検出手段の出力から得られる値を除する演算手段とを有し、
前記演算手段の出力に基づいて前記試料に照射される前記第１のパルス光の強度と前記第２のパルス光の強度との積が調整された場合の前記変調された光の強度を計測することを特徴とする請求項１に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項５】
前記光変調検出手段の出力から得られる値とは、誘導ラマン損失または誘導ラマン利得であることを特徴とする請求項４に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項６】
前記第１のパルス光は、前記第２のパルス光よりも低い繰り返し周波数を有することを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項７】
前記光学機構は、前記第１のパルス光または前記第２のパルス光の前記光検出手段に照射するパルス光を反射させる反射部材と、前記反射部材における反射面の傾きを周期的に駆動する駆動手段とを有し、
前記駆動手段は、前記反射部材を駆動することで、前記第１のパルス光を前記光検出手段に対して前記照射位置および前記照射タイミングが前記第２のパルス光と重なるように照射する前記第１の状態と、前記第１のパルス光を前記光検出手段に対して前記照射位置が前記第２のパルス光と重ならないように照射する前記第２の状態とを周期的に発生させることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項８】
前記光学機構は、前記光検出手段に照射する前記第１のパルス光を２つに分割し、一方を他方に対して遅延させた後に前記他方と合成する光遅延合成手段を有し、前記一方は前記光検出手段に対して前記照射タイミングが前記第２のパルス光と重ならずに照射され、前記他方は前記光検出手段に対して前記照射位置および前記照射タイミングが前記第２のパルス光と重なって照射されることを特徴とする請求項６に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項９】
前記光遅延合成手段は、前記一方と前記他方とを互いに光路長の異なる光路を通過させて合成することを特徴とする請求項８に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１０】
前記変調された光の強度を計測することで、前記試料についてのラマンスペクトルを算出することを特徴とする請求項１から９に記載の誘導ラマン散乱計測装置。
【請求項１１】
第１のパルス光と前記第１のパルス光とは異なる波長の第２のパルス光とを試料に照射することで、誘導ラマン散乱により変調された光の強度を計測する誘導ラマン散乱計測方法であって、
光を照射することで２光子吸収に応じた信号を出力する光検出手段に、前記第１および第２のパルス光の一部を照射する照射ステップと、
前記光検出手段の出力に基づいて、前記試料に照射される前記第１のパルス光の強度と前記第２のパルス光の強度との積が調整された場合の前記変調された光の強度を計測する計測ステップとを有し、
前記照射ステップは、前記第１のパルス光を前記光検出手段に対して照射位置および照射タイミングが前記第２のパルス光と重なるように照射する第１の状態と、前記第１のパルス光を前記光検出手段に対して前記照射位置および前記照射タイミングの少なくとも一つが前記第２のパルス光と重ならないように照射する第２の状態とを周期的に発生させることを特徴とする誘導ラマン散乱計測方法。
【請求項１２】
前記計測ステップは、前記光検出手段の出力から、前記第１のステップにおける前記光検出手段の出力と前記第２のステップにおける前記光検出手段の出力との差分値を振幅とする信号を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップで抽出された信号に基づいて、前記差分値が所定の値となるように前記第１のパルス光または第２のパルス光の強度を調整する調整ステップとを有することを特徴とする請求項１１に記載の誘導ラマン散乱計測方法。
【請求項１３】
前記調整ステップは、前記差分値が前記所定の値よりも大きい場合に第１のパルス光または第２のパルス光の強度を減衰するステップと、前記差分値が前記所定の値よりも小さい場合は第１のパルス光または第２のパルス光の強度を増加するステップを有することを特徴とする請求項１２に記載の誘導ラマン散乱計測方法。
【請求項１４】
前記計測ステップは、前記試料において変調されたパルス光の強度を検出する光変調検出ステップと、前記第１のステップにおける前記光検出手段の出力と前記第２のステップにおける前記光検出手段の出力との差分値を振幅とする信号を抽出する抽出ステップと、前記抽出ステップにおいて抽出された信号に基づいて前記差分値で前記光変調検出ステップから得られる値を除する演算ステップとを有し、前記演算ステップにおいて求められた値に基づいて前記試料に照射される前記第１のパルス光の強度と前記第２のパルス光の強度との積が調整された場合の前記変調された光の強度を計測することを特徴とする請求項１１に記載の誘導ラマン散乱計測方法。
【請求項１５】
前記照射ステップは、前記第１のパルス光または前記第２のパルス光を反射させて前記光検出手段に照射する反射部材を周期的に駆動することによって、前記第１のパルス光を前記光検出手段に対して前記照射位置および前記照射タイミングが前記第２のパルス光と重なるように照射する前記第１の状態と、前記第１のパルス光を前記光検出手段に対して前記照射位置が前記第２のパルス光と重ならないように照射する前記第２の状態と周期的に発生させることを特徴とする請求項１１から１４のうちいずれか１項に記載の誘導ラマン散乱計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導ラマン散乱を利用した顕微鏡や内視鏡等に用いられる誘導ラマン散乱計測装置およびその計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）を利用した誘導ラマン散乱計測装置は、例えば、非特許文献１にて提案されている。誘導ラマン散乱顕微鏡の原理は、以下の通りである。
【０００３】
互いに波長が異なる２つのパルス光を試料に集光照射する。以後、波長が短い方のパルス光をポンプ光、波長が長い方のパルス光をストークス光と呼ぶ。この場合に、ポンプ光とストークス光の振動数の差が試料中の分子の振動数と一致すると、照射点にて誘導ラマン散乱という現象が生じる。その結果、ポンプ光の強度が減少し（誘導ラマン損失という）、ストークス光の強度が増大する（誘導ラマン利得という）。この強度変化を検出することで、試料における該当分子の分布のイメージングが可能となる。
【０００４】
この際、ポンプ光とストークス光との一方に予め強度変調を施しておくか、一方の繰り返し周波数を整数倍大きいものにしておくと、誘導ラマン散乱による強度変化も変調される。そのため、もう一方、すなわち予め強度変調を施していない方の強度変化の変調分をロックインアンプを用いて検出すれば高感度の誘導ラマン散乱検出が可能となる。
【０００５】
このような誘導ラマン散乱計測装置において、特定の波長のみを用いて分子振動を検出するだけでなく、広い振動数範囲での分子振動スペクトル（以後、ラマンスペクトルという）を検出すれば、試料識別の性能を遥かに向上できる。非特許文献１では、１つ又は複数のオプティカルパラメトリック発振器（以後、ＯＰＯという）の発振波長可変機能を用いて、ポンプ光とストークス光のうち一方の光パルスの波長を掃引（スキャン）できるようにした誘導ラマン散乱計測装置が提案されている。
【０００６】
ＯＰＯは比較的広い波長範囲を掃引できるのでこれによって広帯域のラマンスペクトルを取得することができるが、ＯＰＯを使った装置は一般に大型で高価になり、また波長掃引速度を高速にすることが難しい。この点に鑑み、特許文献１では、光源として低コストで小型化が可能なファイバレーザを使用し、且つ波長可変バンドパスフィルタを設けることで高速に照射パルスの光周波数を掃引できる誘導ラマン散乱計測装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１１３６２３
【特許文献２】国際公開番号ＷＯ１０／１４０６１４
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｃｈｉｒｉｓｔｉａｎ  Ｗ．  Ｆｒｅｕｄｉｇｅｒ，  Ｗｅｉ  Ｍｉｎ，  Ｂｒｉａｎ  Ｇ．  Ｓａａｒ，  Ｓｉｊｉａ  Ｌｕ，  Ｇａｒｙ  Ｒ．  Ｈｏｌｔｏｍ，  Ｃｈｅｎｇｗｅｉ  Ｈｅ，  Ｊａｓｏｎ  Ｃ．  Ｔｓａｉ，  Ｊｉｎｇ  Ｘ．  Ｋａｎｇ，  Ｘ．  Ｓｕｎｎｅｙ  Ｘｉｅ，  “Ｌａｂｅｌ−Ｆｒｅｅ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｂｙ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  （誘導ラマン散乱を用いた顕微鏡による非標識の高感度生物医学的画像解析）”  ＳＣＩＥＮＣＥ  ＶＯＬ３２２  １９  ＤＥＣＥＭＢＥＲ  ２００８  ｐｐ．  １８５７−１８６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
波長を掃引している間、試料に照射されるパルス光の強度が一定となっていれば、特許文献１において提案された構成でもラマンスペクトルを得ることができる。
【００１０】
しかしながら、特許文献１において提案された構成では、波長可変バンドパスフィルタにより波長を掃引する際、試料に照射されるパルス光の光量（強度）が変動するという問題が生じる。試料に照射されるパルス光の強度が変動する場合には、計測される変調光の強度も変動し、正確な誘導ラマン散乱計測を行うことができない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面としての誘導ラマン散乱計測装置は、第１のパルス光と前記第１のパルス光とは異なる波長の第２のパルス光とを試料に照射するものであって、第１および第２のパルス光のうち少なくとも一方を受光することで生じる２光子吸収に応じた信号を出力する光検出手段と、第１および第２のパルス光の各々を、試料に照射するパルス光と光検出手段に照射するパルス光とに分割する光分割手段と、第１のパルス光を光検出手段に対して照射位置および照射タイミングが第２のパルス光と重なるように照射する第１の状態と、第１のパルス光を光検出手段に対して照射位置および照射タイミングの少なくとも一つが第２のパルス光と重ならないように照射する第２の状態とを周期的に発生させる光学機構とを有し、光検出手段の出力に基づいて、試料に照射される第１のパルス光の強度と第２のパルス光の強度との積が調整された場合の上記変調された光の強度を計測することを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の一側面としての誘導ラマン散乱方法は、第１のパルス光と第１のパルス光とは異なる波長の第２のパルス光とを試料に照射するものであって、光を照射することで２光子吸光に応じた信号を出力する光検出手段に、第１および第２のパルス光の一部を照射する照射ステップと、光検出手段の出力に基づいて、試料に照射される第１のパルス光の強度と第２のパルス光の強度との積が調整された場合の上記変調された光の強度を計測する計測ステップとを有し、照射ステップは、第１のパルス光を光検出手段に対して照射位置および照射タイミングが第２のパルス光と重なるように照射する第１の状態と、第１のパルス光を光検出手段に対して照射位置および照射タイミングの少なくとも一つが第２のパルス光と重ならないように照射する第２の状態とを周期的に発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、試料に照射されるパルス光の強度の変動にを防ぎ、試料本来の誘導ラマン散乱計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の誘導ラマン散乱計測装置の光路図である。
【図２】実施例１および３において２光子吸収により出力される信号の概略図である。
【図３】実施例２の誘導ラマン散乱計測装置の光路図である。
【図４】実施例２において２光子吸収により出力される信号の概略図である。
【図５】実施例３の誘導ラマン散乱計測装置の光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例１である誘導ラマン散乱計測装置（以下、「ＳＲＳ計測装置」という。）の光路図を示している。このＳＲＳ計測装置１００は、顕微鏡や内視鏡を含む観察、測定および診断その他の用途を有する装置として用いることができる。
【００１７】
ＳＲＳ計測装置１００は、ストークス光となる第１のパルス光１０を射出する第１の光源１１およびポンプ光となる第２のパルス光２０を射出する第２の光源２１を有する。
【００１８】
第１の光源１１は、第１のパルス光１０を繰り返し射出（発振）するパルス光源であり、本実施例では、モードロックＹｂファイバレーザ光源（ＹｂＦＬ）を用いている。パルス光１０の中心波長は１０３０ｎｍ、繰り返し周波数は４０ＭＨｚ、パルス幅は数ピコ秒である。第１の光源１１から射出された第１のパルス光１０は、波長可変バンドパスフィルタ１２により特定の波長成分のみ抽出される。
【００１９】
波長可変バンドパスフィルタ１２は、不図示の回折格子とレンズと光偏向素子から構成されており抽出する光の波長（抽出波長）をコンピュータ９０により変化させることができる。第１のパルス光１０の波長を掃引しながら波長が一定の第２のパルス光２０と同時に試料に照射することで試料のラマンスペクトルを計測することができる。
【００２０】
波長可変バンドパスフィルタ１２で特定波長のみ抽出された第１のパルス光１０は、光増幅器１３で十分な強度まで増幅される。本実施例では、光増幅器１３としてＹｂ添加ファイバーアンプを使用している。光増幅器１３で増幅された第１のパルス光１０の強度は、可変減衰器１４（光強度調整手段）を通すことによって連続的に変化させることができる。可変減衰器１４による強度の変化量は、光強度制御装置５５によって調整される。
【００２１】
可変減衰器１４の具体例としては、周方向に透過率が連続的に変化している円盤を電動で回転させるものがあるが、これに限らず外部からの制御で透過光の強度を連続的に変化させるものであればよい。可変減衰器１４により減衰された第１のパルス光１０は、ビームスプリッタ１５、１６（光分割手段）に入射し、分割される。ビームスプリッタ１５は、可変減衰器１４からの第１のパルス光１０の一部をミラー１７に向けて反射し、残りを透過する。ビームスプリッタ１６は、ビームスプリッタ１５を透過した第１のパルス光１０の一部をダイクロイックミラー５１に向けて反射し、残りを透過する。ビームスプリッタ１６を透過した第１のパルス光１０は、ダイクロイックミラー３１に入射する。
【００２２】
一方、第２の光源２１は、第１のパルス光より短い波長を有する第２のパルス光２０を繰り返し射出（発振）するパルス光源であり、本実施例では、チタンサファイアレーザを用いている。パルス光２０の中心波長は８００ｎｍ、繰り返し周波数は８０ＭＨｚ、パルス幅は数ピコ秒である。
【００２３】
第２の光源２１から射出された第２のパルス光２０は、ビームスプリッタ２２、２３（光分割手段）に入射し、分割される。ビームスプリッタ２２は、第２の光源２１からの第２のパルス光２０の一部をダイクロイックミラー４１に向けて反射し、残りを透過する。ビームスプリッタ２３は、ビームスプリッタ２２を透過した第２のパルス光２０の一部をミラー２４に向けて反射し、残りを透過する。ビームスプリッタ２３を透過した第２のパルス光２０は、ダイクロイックミラー３１に入射する。
【００２４】
ダイクロイックミラー３１は、波長の長い第１のパルス光１０を透過し波長の短い第２のパルス光２０を反射する。これによって、第１のパルス光１０と第２パルス光２０は合成され、２軸スキャナ３２に導かれる。集光レンズ３４は、２軸スキャナ３２から射出した光を被計測対象である試料３５に集光照射する。
【００２５】
２軸スキャナ３２は、コンピュータ９０からの指示に応じて第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の進行方向を２次元的に掃引する。これによって集光レンズ３４による第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の集光点の位置は、試料３５上で２次元的に掃引される。本実施例では、１／３０秒の周期で掃引されるが、測定結果の表示周期等に合わせて適宜変更可能である。
【００２６】
集光レンズ３４によって試料３５に集光照射された第１のパルス光１０と第２のパルス光２０は、収集レンズ３６によって収集され、波長フィルタ３７に入射する。波長フィルタ３７は、第１のパルス光を遮断し、第２のパルス光のみ透過する。波長フィルタ３７を透過した第２のパルス光は、光検出器３８（光変調検出手段）に入射する。光検出器３８は、光電変換により第２のパルス光２０の強度に比例した電気信号を生成しロックインアンプ３９に入力する。ロックインアンプ３９は、第１の光源１１に同期した同期信号４０を参照信号とし、光検出器３８の出力から第１のパルス光１０の繰り返し周波数の成分を抽出し、コンピュータ９０に入力する。
【００２７】
コンピュータ９０は、後述の方法により、ロックインアンプ３９の出力に基づいてラマンスペクトルを求めるものであり、波長可変バンドパスフィルタ１２を制御することで試料３５に照射される第１のパルス光１０の波長を自在に掃引することができる。本実施例では、１／３０秒ごとに波長を変化させるが、２軸スキャナ３２によって試料３５上の第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の集光点の位置を掃引する周期に合わせて適宜変更可能である。
【００２８】
上記構成を有するＳＲＳ計測装置１００において、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０を試料３５上の同じ位置に重ねて照射した場合、試料３５の該当位置の物質が両パルス光の振動数の差に等しい固有振動を有していると誘導ラマン散乱現象が生じる。それにより、試料３５に照射されたパルス光は変調され、誘導ラマン損失によってポンプ光である第２のパルス光２０の強度は僅かに減少し、誘導ラマン利得によってストークス光である第１のパルス光１０の強度は僅かに増大する。
【００２９】
誘導ラマン損失は、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の試料３５に対して照射するタイミングが一致すれば最大となる。そのため、第１の光源１１から試料３５までと第２の光源２１から試料３５までとの光路長差は、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０が試料３５に照射されるタイミングが一致するように設定される。本実施例において、この光路長差はミラー１７と１８を図１の紙面の上下方向に一体に移動することで調節する。他の照射タイミングの調整方法として、ミラー１７と１８の代わりにビームスプリッタ２２とダイクロイックミラー４１を図１の紙面の上下方向に一体に移動させて光路長差を設定してもよく、どちらか一方のパルス光の光路に可変の遅延光路を設けて調節してもよい。
【００３０】
本実施例では、更に、以下の光学機構により第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の試料３５に照射される両パルスのタイミングを調節する。
【００３１】
ビームスプリッタ１５で反射された第１のパルス光１０は、ミラー１７、１８で反射されダイクロイックミラー４１を透過した後、集光レンズ４２で２光子吸収素子４３（光検出手段）上に集光照射される。
【００３２】
一方、ビームスプリッタ２２で反射された第２のパルス光２０は、ダイクロイックミラー４１で反射された後、集光レンズ４２で２光子吸収素子４３上に集光照射される。ビームスプリッタ２２、ダイクロイックミラー４１およびミラー１７、１８は、第２のパルス光２０が２光子吸収素子４３上において第１のパルス光１０と同一の位置に集光されるように配置される。２光子吸収素子４３は、第１のパルス光１０および第２のパルス光２０の波長域において通常（１光子吸収の場合）感度が無いが２光子吸収過程が生じるものであればよく、例えば、ガリウム・ヒ素・リン（ＧａＡｓＰ）フォトダイオードを用いることができる。
【００３３】
２光子吸収素子４３は、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の２光子吸収素子４３上での照射位置と照射タイミングが一致した場合と両パルス光の照射位置と照射タイミングの何れかがずれた場合とで異なった強度の信号を出力する。この原理を利用して、同期制御装置４４は後述の方法により、２光子吸収素子４３からの２光子吸収に応じた出力信号がある特定の強度を保つように第２の光源２１の発振タイミングを調節する。第２の光源２１の発振タイミングを高速で調節する具体的な方法として、例えば、特許文献２に記載されているような共振器長を外部から電気的に調節するものを用いる。
【００３４】
本実施例は、第１の光源１１と第２の光源２１から照射されるパルス光の強度の変化した場合でもラマンスペクトルを正確に計測するために、ＩＰ・ＩＳをラマンスペクトルの計測時間内で一定にする構成を有している。
【００３５】
ビームスプリッタ１６で反射された第１のパルス光１０は、ダイクロイックミラー５１を透過した後、集光レンズ５２で２光子吸収素子５３上に集光される。ダイクロイックミラー５１は、第１のパルス光１０を透過させ第２のパルス光２０を反射させるものである。
【００３６】
ビームスプリッタ２３で反射された第２のパルス光２０は、ミラー２４、反射角可変ミラー２５、およびダイクロイックミラー５１で反射された後、集光レンズ５２で２光子吸収素子５３上に集光される。
【００３７】
反射角可変ミラー２５は入力電気信号に応じて反射面の傾きが変化するものであり、反射角ミラードライバ２６は反射角可変ミラー２５の反射面を周期的に変化させるものである。本実施例では、反射角可変ミラー２５にピエゾアクチュレータを内蔵し、反射角ミラードライバ２６の出力電圧に応じて周期的に反射面の傾きを変えるが、これに代わる方法で反射角可変ミラー２５の反射面を駆動してもよい。
【００３８】
２光子吸収素子５３（光検出手段）は、２光子吸収素子４３と同様の性質を有するものである。第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の２光子吸収素子５３上での照射位置と照射タイミングが一致した場合と両パルス光の照射位置と照射タイミングの何れかがずれた場合とで異なった強度の信号を出力する。２光子吸収素子５３も、２光子吸収素子４３と同様に第１のパルス光１０および第２のパルス光２０の波長域において通常（１光子吸収の場合）は反応しない。２光子吸収過程が生じるものであればよく、例えば、ガリウム・ヒ素・リン（ＧａＡｓＰ）フォトダイオードなどを用いることができる。
【００３９】
あらかじめ、２光子吸収素子５３の出力を観察しながら出力される信号の大きさが最大になるように、ダイクロイックミラー５１の反射面の角度調整とビームスプリッタ２３とミラー２４との図１の紙面上下方向の一体的な位置調整を行っておく。これにより、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０を２光子吸収素子５３上の照射位置と照射タイミングを一致させることができる。
【００４０】
ロックインアンプ５４は、２光子吸収素子５３の出力から反射角ミラードライバ２６が反射角可変ミラー２５を変動させる周波数の成分を抽出するものである。光強度制御装置５５は、ロックインアンプ５４からの出力が一定になるように可変減衰器１４を制御するものである。
【００４１】
以下、本実施例のＳＲＳ計測装置による試料のラマンスペクトルの計測について詳細に説明する。
【００４２】
本実施例において、第１の光源１１と第２の光源２１の繰り返し周波数の比は、１：２となっている。そのため、試料３５に対して１パルスおきに、第２のパルス光２０を単独で照射する場合と第１のパルス光１０および第２のパルス光２０を重ねて照射する場合とが交互に繰り返される。誘導ラマン散乱は両パルス光を試料に重ねて照射する場合に生じるので、誘導ラマン散乱による第２のパルス光２０の強度の減少（誘導ラマン損失）は第２のパルス光２０の周期に対して１パルスおきに生じる。すなわち、光検出器３８（光変調検出手段）で受光される第２のパルス光２０の強度は、第１の光源１１の繰り返し周波数である４０ＭＨｚで変調される。
【００４３】
ロックインアンプ３９には、参照信号として第１の光源１１で生成される第１のパルス光１０に同期した同期信号４０が入力されている。これにより、ロックインアンプ３９は、第２のパルス光２０の変調強度、すなわち誘導ラマン損失を出力する。誘導ラマン損失の大きさＩＳＲＳは、式（１）で表させる。
ＩＳＲＳ∝Ｉｍ（χ（３））・ＩＰ・ＩＳ                    （１）
ここで、Ｉｍ（χ（３））は３次の非線形感受率χ（３）の虚数部、ＩＰはポンプ光の強度、すなわち試料３５における第１のパルス光１０の強度、ＩＳはストークス光の強度、すなわち試料３５における第２のパルス光２０の強度である。Ｉｍ（χ（３））は第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の振動数の差の関数であり、これを振動数差に応じてプロットしたものがラマンスペクトルとなる。ラマンスペクトルは物質固有の形状を有するので、ラマンスペクトルを計測することにより試料を構成する物質を特定できる。
【００４４】
本実施例では、コンピュータ９０が波長可変バンドパスフィルタ１２を制御し、第１のパルス光１０の波長を連続的に掃引することで振動数差を連続的に変化させる。コンピュータ９０は、第１のパルス光１０の波長を掃引しながら第２のパルス光２０の強度の変調量である誘導ラマン損失の大きさＩＳＲＳを測定することで、式（１）からラマンスペクトルを得る。
【００４５】
ＩＳＲＳを測定している間、試料３５に照射される第１のパルス光１０および第２のパルス光２０の強度ＩＰおよびＩｓが一定となっていれば、上記構成でラマンスペクトルを得ることができる。しかし、試料に照射される第１のパルス光１０や第２のパルス光２０の強度ＩＰおよびＩｓが変動する場合には、ＩＳＲＳを測定してもラマンスペクトルを正しく計測できない。
【００４６】
試料に照射されるパルス光の強度の変動は、例えば、利用する波長帯域における以下の要因よって生じる。
（イ）レーザの発振スペクトル自体が平坦でないこと
（ロ）波長可変バンドパスフィルタの透過率が平坦でないこと
（ハ）波長可変バンドパスフィルタからの光を十分な強度まで増幅する光アンプの波長特性が平坦でないこと
（ニ）温度変化や振動その他の環境の変化等により光源から射出される光強度が変動すること
波長と第１の光源１１から射出される第１のパルス光１０の強度との関係性を予め計測したとしても、環境条件の変化によって第１の光源１１から射出される光の強度が変わるので、試料に照射されるパルス光の強度を一定に保つことはできない。また、波長を掃引せずとも、環境条件の変化によって、計測時間内に第１の光源１１や第２の光源２１から射出される光の強度が変動することもある。
【００４７】
以下において、ラマンスペクトルを簡易かつ正確に計測するために、ＩＰ・ＩＳをラマンスペクトルの計測時間内で一定に保つ方法および構成を説明する。
【００４８】
第１のパルス光１０と第２のパルス光２０を２光子吸収素子５３上の照射位置と照射タイミングが一致するように照射する場合、２光子吸収素子５３からの出力信号の大きさの最大値Ｉ２ｍａｘは、式（２）で表される。
Ｉ２ｍａｘ＝Ｉ１１＋Ｉ２２＋Ｉ１２                    （２）
Ｉ１１は、第１のパルス光１０内の光子２個による２光子吸収信号の大きさである。Ｉ２２は、第２のパルス光２０内の光子２個による２光子吸収信号の大きさである。Ｉ１２は、第１のパルス光１０内の光子１個と第２のパルス光２０内の光子１個による２光子吸収信号の大きさである。
【００４９】
一方、第１のパルス光と第２のパルス光の２光子吸収素子５３上の照射位置あるいは照射タイミングが重ならずに２光子吸収素子５３に照射される場合は、Ｉ１２が０になるので２光子吸収素子５３からの出力信号の大きさＩ２ｍｉｎは、式（３）で表される。
Ｉ２ｍｉｎ＝Ｉ１１＋Ｉ２２                    （３）
式（２）および式（３）より
Ｉ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎ＝Ｉ１２                    （４）
が求まる。
【００５０】
２光子吸収素子４３に照射する第１のパルス光１０の強度と第２のパルス光２０の強度をそれぞれＩ１、Ｉ２とすると、２光子吸収現象の特性によりＩ１１、Ｉ２２、Ｉ１２はそれぞれＩ１の２乗、Ｉ２の２乗、Ｉ１とＩ２の積に比例する。またＩ１、Ｉ２はそれぞれ試料３５における第１のパルス光の強度ＩＰ、試料３５における第２のパルス光の強度ＩＳに比例するので、式（５）が導かれる。
Ｉ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎ＝Ｉ１２∝Ｉ１・Ｉ２∝ＩＰ・ＩＳ                    （５）
すなわち、Ｉ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎを一定に保てば、ＩＰ・ＩＳも一定になる。
【００５１】
図２は、本実施例におけるＩ１１、Ｉ２２、Ｉ１２の時間変化の様子およびＩ２ｍａｘ、Ｉ２ｍｉｎとＩ１１、Ｉ２２、Ｉ１２の関係を示す。第１のパルス光１０の波長を掃引（スキャン）しながらＩＳＲＳを測定する場合に、光強度制御装置５５はＩ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎが一定になるように可変減衰器１４の透過率を制御することによって第１のパルス光１０の強度を調整する。これにより、ＩＰ・ＩＳを一定とすることができる。ＩＰ・ＩＳが一定となればＩＳＲＳがＩｍ（χ（３））に比例するため、ラマンスペクトルを正しく計測できる。
【００５２】
本実施例において、反射角可変ミラー２５（反射部材）はピエゾアクチュレータを内蔵しており、反射角ミラードライバ２６（駆動手段）からの出力電圧に応じて反射面の傾きが変わる。
【００５３】
反射角ミラードライバ２６は、反射角可変ミラー２５に入力する出力電圧を周期Ｔａで周期的に変化させる。これにより、第２のパルス光２０の進行方向が周期的に変化する。その結果、２光子吸収素子５３上で第１のパルス光１０と第２のパルス光２０が照射位置と照射タイミングが重なって照射される状態（状態１）と照射タイミングは変わらないが入射位置が重ならずに照射される状態（状態２）とが周期的に生じる。２光子吸収素子５３の出力は状態１ではＩ２ｍａｘとなり状態２ではＩ２ｍｉｎとなるので、図２で示されるように、ミラードライバ２６の出力電圧の周期ＴａでＩ２ｍａｘとＩ２ｍｉｎとが２光子吸収素子５３から出力されることとなる。本実施例では、Ｔａは１／１０００秒であるが、波長の掃引速度に応じて適宜変更可能である。
【００５４】
ロックインアンプ５４は、この２光子吸収素子５３の出力について、反射角ミラードライバ２６の出力電圧を参照信号として同期検波することでＩ２ｍａｘとＩ２ｍｉｎを振幅とする信号を抽出する。
【００５５】
光強度制御装置５５は、ロックインアンプ５４から出力された信号に基づいてＩ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎの値（差分値）と予め定められた基準値（所定の値）と比較し、それらが一致するように可変減衰器１４の減衰率を制御する。
【００５６】
具体的には、基準値よりも測定値が大きいと判断すれば、光強度制御装置５５は可変減衰器１４に減衰率を増加させ、基準値よりも測定値が小さいと判断すれば、光強度制御装置５５は可変減衰器１４に減衰率を減少させる。基準値と測定値が一致していると判断すれば、光強度制御装置５５は可変減衰器１４に減衰率を維持させる。
【００５７】
この操作により、式（１）におけるＩＰ・ＩＳが一定となるので、ＩＳＲＳはＩｍ（χ（３））に比例する。従って、ＩＳＲＳを測定すれば、ラマンスペクトルを正確に計測できる。
【００５８】
本実施例では、第２のパルス光２０の進行方向を反射角可変ミラー２５によって周期的に変化させたが、第１のパルス光１０の進行方向を変化させることとしてもよい。また、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の照射位置の重なり状態を周期的に変化させることができればよく、その方法は反射角可変ミラー２５によるものに限定されない。
【実施例２】
【００５９】
実施例１では２光子吸収素子５３の出力がＩ２ｍａｘとＩ２ｍｉｎを周期的に発生させるために、反射角可変ミラーを使って２光子吸収素子５３上での第１のパルス光１０と第２のパルス光２０の空間的な重なり状態を周期的に変化させる場合について説明した。本実施例では時間的な重なり状態を周期的に変化させることで、２光子吸収素子５３の出力のＩ２ｍａｘとＩ２ｍｉｎを周期的に発生させる場合について説明する。
【００６０】
図３は、本実施例のＳＲＳ計測装置２００の光路図を示している。実施例１との共通部分には、図１と同一の符号を付している。以下、本実施例と実施例１との違いを説明する。共通する構成については、説明を省略する。
【００６１】
本実施例では、反射角可変ミラー２５の代わりに、第１のパルス光１０を２つに分岐し長さの異なる光路を通過させて再合成する光遅延合成機構６６（光遅延合成手段）を有している。光遅延合成機構６６は、ビームスプリッタ６１、ミラー６２、６３、ビームスプリッタ６４、透過率を連続的に変えられる可変減光器６５を有している。
【００６２】
ビームスプリッタ６１を透過した第１のパルス光１０は、可変減光器６５を経た後に、ビームスプリッタ６４で透過および反射される。以後、この光路を通りビームスプリッタ６１を透過した第１のパルス光１０をＬａと呼ぶ（ビームスプリッタ６１によって分割されたパルス光の一方）。ビームスプリッタ１６で反射された第１のパルス光１０は、ビームスプリッタ６１で２つに分割される。ビームスプリッタ６１で反射された第１のパルス光１０は、ミラー６２、６３で反射され後、ビームスプリッタ６４で透過および反射される。以後、この光路を通りビームスプリッタ６４で反射された第１のパルス光１０をＬｂと呼ぶ（ビームスプリッタ６１によって分割されたパルス光の他方）。ＬａとＬｂは、ビームスプリッタ６４の面上で合成され、ダイクロイックミラー５１を透過し、集光レンズ５２で２光子吸収素子５３上に集光される。Ｌａは、ダイクロイックミラー５１の向きを調整してここで反射された第２のパルス光２０と２光子吸収素子５３上での照射位置および照射タイミングが一致するように２光子吸収素子５３に照射される。
【００６３】
可変減光器６５は、Ｌａ内の光子２個による２光子吸収信号の大きさをＩａａ、Ｌｂ内の光子２個による２光子吸収信号の大きさをＩｂｂとした場合に、ＩａａとＩｂｂが等しくなるように透過率が設定されている。
【００６４】
ミラー６２とミラー６３は、第２のパルス光２０の周期をＴ２０（第１のパルス光１０の周期Ｔ１０の２分の１）とし光速をｃとした場合にＬａとＬｂの光路長差ＺａｂがＺａｂ＝（Ｔ２０＋α）ｃとなるように配置されている。αは、２光子吸収素子５３上で第２のパルス光２０とＬｂとが重ならず、かつ、Ｔ２０より十分小さな値であればよい。本実施例では第１のパルス光１０のパルス幅τ１と第２のパルス光２０のパルス幅τ2を加えた時間τ1＋τ2にしている。Ｌｂが第２のパルス光２０と２光吸収素子５３上で時間的に重ならないので、Ｌｂ内の光子１個と第２のパルス光２０内の光子１個による２光波吸収は起きない。ここで、ロックインアンプ５４は第１の光源１１からのパルス同期信号５６を参照信号としているが、第２のパルス光１０の周期Ｔ１０が２５ナノ秒であるのに対し、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０のパルス幅は数ピコ秒と非常に小さい。そのためロックインアンプ５４において第１の光源１０からのパルス同期信号５６を参照信号として２光子吸収素子５３の出力を同期検波する際にIaaの発生が不等間隔であること自体は殆ど影響しない。
【００６５】
図４は、Ｉａａ、Ｉｂｂ、第２のパルス光２０内の光子２個による２光子吸収信号の大きさＩ２２、Ｌａ内の光子１個と第２のパルス光２０の光子１個による２光子吸収信号の大きさＩａ２の時間変化を示す。図４は、更に、Ｉ２ｍａｘ、Ｉ２ｍｉｎとＩａａ、Ｉｂｂ、Ｉ２２、Ｉａ２の関係も示す。同図では、ＩａａとＩｂｂの発生が不等間隔であることを誇張されて描かれている。
【００６６】
上記構成で、２光子吸収素子５３上において、第２のパルス光２０とＬａが位置とタイミングが重なって照射される状態（状態３）と第２のパルス光２０とＬｂが位置は重なっているがタイミングが重ならずに照射される状態（状態４）とが周期的に繰り返される。その結果、２光子吸収素子５３の出力は、状態３におけるＩ２ｍａｘと状態４におけるＩ２ｍｉｎとを第１のパルス光１０と同じ周期Ｔ１０で繰り返すことになる。これをロックインアンプ５４へ入力し、第１の光源１１からのパルス同期信号５６を参照信号として同期検波することでＩ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎを得る。
【００６７】
実施例１と同様に、光強度制御装置５５は、Ｉ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎの値（差分値）と予め定められた基準値（所定の値）と比較し、それらが一致するように可変減衰器１４の減衰率を制御する。
【００６８】
この操作により、式（１）におけるＩＰ・ＩＳが一定となるように可変減衰器１４によって減衰率を維持することができ、ＩＳＲＳを測定することでラマンスペクトルを正確に計測できる。
【００６９】
本実施例では、ビームスプリッタ６１で分割した第１のパルス光１０を光路長の異なる光路を通過させることで遅延時間を与え、２光子吸収素子５３上での第２のパルス光２０との時間的な重なり状態を周期的に変化させた。しかし、２光子吸収素子５３上の第２のパルス光２０との時間的な重なり状態を周期的に変化させることができればよく、その方法は異なる光路長を有する光路を通過させるものに限定されない。
【００７０】
また、実施例１および２では、第１のパルス光１０の強度を可変減衰器１４により調整することとしているが、第２のパルス光２０の強度を調整することとしてもよい。
【実施例３】
【００７１】
実施例１および２ではＩＰ・ＩＳが一定となるように、光源から射出されるパルス光の強度を変化させる場合について説明した。本実施例では、ロックインアンプ３９から出力された第２のパルス光２０の変調強度（誘導ラマン損失）について演算処理することによって、ＩＰ・ＩＳが一定であったときのラマンスペクトルを計測する場合について説明する。
【００７２】
図５は、本発明の実施例３であるＳＲＳ計測装置の光路図を示している。実施例１との共通部分には、図１と同一の符号を付している。以下、本実施例と実施例１との違いを説明する。共通する構成については、説明を省略する。
【００７３】
本実施例では、実施例１や実施例２における可変減衰器１４や光強度制御装置５５の代わりに、ロックインアンプ５４の出力でロックインアンプ３９の出力を除する演算装置７０を有している。
【００７４】
具体的には、演算装置７０は、２光子吸収素子５３の出力信号から得られるＩ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎで、誘導ラマン損失による第２のパルス光２０の強度の変調量ＩＳＲＳを除した値ＩＳＲＳ／（Ｉ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎ）を算出し、コンピュータ９０に出力する。
【００７５】
Ｉ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎは、試料３５上のストークス光の強度ＩＳおよびポンプ光の強度ＩＰの積ＩＳ・ＩＰに比例するため、式（１）と式（５）より、
Ｉｍ（χ（３））∝ＩＳＲＳ／（Ｉ２ｍａｘ−Ｉ２ｍｉｎ）                    （６）
が導かれる。すなわち、ＩＳおよびＩＰの変動に関わらず、補正演算装置７０からの出力はＩｍ（χ（３））に比例した値となる。
【００７６】
従って、本実施例によれば、実施例１と同様に、ＩＰ・ＩＳが一定であった場合のラマンスペクトルを正確に計測できる。
【００７７】
上述の実施例１、２および３では誘導ラマン損失の大きさを測定しているが、誘導ラマン利得の大きさを測定することによって、ＩＰ・ＩＳが一定であった場合のラマンスペクトルを計測することとしてもよい。また、ＩＰ・ＩＳが一定とは、ラマンスペクトルを計測する上で必要な範囲内で一定と見なせるものであればよい。
【００７８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、誘導ラマン散乱計測において試料に照射されるパルス光の強度の変動を防止する用途に適用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１６    ビームスプリッタ
２３    ビームスプリッタ
２５    反射角可変ミラー
２６    反射角ミラードライバ
５３    ２光子吸収素子
６６    光遅延合成機構
９０    コンピュータ
１００  誘導ラマン散乱計測装置
【図１】
2016085123.tif 000003
【図２】
2016085123.tif 000004
【図３】
2016085123.tif 000005
【図４】
2016085123.tif 000006
【図５】
2016085123.tif 000007