(57)【要約】【課題】光強度、波長、パルス幅および対物レンズと光検出手段の配置状態などが変化しても、安定して動作する光パルス同期装置を提供すること。【解決手段】第１の繰り返し周波数で生成される第１の光パルスと第２の繰り返し周波数で生成される第２の光パルスとを同期する光パルス同期装置５０であって、第１および第２の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調手段１０と、第１および第２の光パルスを受光して第１の信号を出力する光検出手段１６と、変調周波数の信号および第１の信号に基づいて第２の信号を出力する同期検出手段１７と、第２の信号に応じて第１および第２の繰り返し周波数の少なくとも一方を調整する調整手段１９と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の繰り返し周波数で生成される第１の光パルスと第２の繰り返し周波数で生成される第２の光パルスとを同期する光パルス同期装置であって、
前記第１および第２の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調手段と、
前記第１および第２の光パルスを受光して第１の信号を出力する光検出手段と、
前記変調周波数の信号および前記第１の信号に基づいて第２の信号を出力する同期検出手段と、
前記第２の信号に応じて前記第１および第２の繰り返し周波数の少なくとも一方を調整する調整手段と、を有することを特徴とする光パルス同期装置。
【請求項２】
前記第１の信号は、前記第１および第２の光パルスを受光するときのそれぞれのパルスのタイミング差に応じた信号であることを特徴とする請求項１に記載の光パルス同期装置。
【請求項３】
前記第１および第２の光パルスが通過する光ファイバを更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の光パルス同期装置。
【請求項４】
前記変調手段は、前記光ファイバを伸縮させる電歪素子を含むことを特徴とする請求項３に記載の光パルス同期装置。
【請求項５】
前記第１および第２の光パルスを反射させる反射部材を更に有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光パルス同期装置。
【請求項６】
前記変調手段は、前記反射部材を移動させる駆動手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の光パルス同期装置。
【請求項７】
前記光検出手段は、前記第１および第２の光パルス列を受光するフォトダイオードを有し、
該フォトダイオードは、２光子吸収により生じる電流を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光パルス同期装置。
【請求項８】
前記第１の光パルスを射出する第１の光生成手段と、
前記第２の光パルスを射出する第２の光生成手段と、
請求項１から７のいずれか１項に記載の光パルス同期装置と、を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項８に記載の照明装置と、
前記第１および第２の光パルスを試料に照射する光学系と、を備えることを特徴とする光学顕微鏡。
【請求項１０】
前記第１および第２の光パルスが前記試料に照射されることで生じるラマン散乱により強度変調された光を検出する検出系を備えることを特徴とする請求項９に記載の光学顕微鏡。
【請求項１１】
第１の繰り返し周波数で生成される第１の光パルスと第２の繰り返し周波数で生成される第２の光パルスとを同期する光パルスの同期方法であって、
前記第１および第２の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調工程と、
前記第１および第２の光パルスを受光して第１の信号を出力する光検出工程と、
前記変調周波数の信号および前記第１の信号に基づいて第２の信号を出力する同期検出工程と、
前記第２の信号に応じて前記第１および第２の繰り返し周波数の少なくとも一方を調整する調整工程と、を有することを特徴とする光パルスの同期方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２台のパルスレーザが射出する２つの光パルス列のパルスのタイミングを一致させる光パルス同期装置、照明装置、光学顕微鏡および光パルスの同期方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーザは、近年様々な分野で利用されている。パルスレーザの応用として、非線形光学過程を利用したラマン散乱顕微鏡が研究されている。例えば、ＣＡＲＳ（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）顕微鏡やＳＲＳ（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）顕微鏡が知られている。それらの顕微鏡では、２つのパルスレーザが射出する光パルス列を、パルスのタイミングを一致させた状態で試料に集光する。つまり、２つのパルスレーザの光パルス列を同期する必要がある。
【０００３】
特許文献１のＳＲＳ顕微鏡では、２光子吸収を検出する光検出器の出力をパルスのタイミング差として検出し、光検出器の出力が設定した値になるように光パルス列の繰り返し周波数を制御している。特許文献２のＣＡＲＳ顕微鏡では、パルスのタイミング差を検出する同様の光検出器を２つ用い、２つの光検出器の出力の差分を光パルス列の繰り返し周波数の制御に用いている。そのため、光強度や波長やパルス幅が変わっても光パルス列の同期を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開２０１０／１４０６１４号
【特許文献２】特許第４８６２１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された光パルス列の同期方法によると、パルスレーザが発する光強度や波長やパルス幅が変化した場合、光パルス列の同期を実現するために光検出器の出力回路や光検出器の出力の設定値を変更しなければならない。また、特許文献２のＣＡＲＳ顕微鏡において、パルスレーザが発する光強度や波長やパルス幅が変化しても安定的に光パルス列を同期させるためには、パルスのタイミング差を検出する光検出器が２つ必要である。この２つの光検出器は、感度や感度の波長特性を一致させ、かつそれぞれに入力する光強度とパルス幅が同じになるように装置を構成せねばならない。そうでないと、光パルス列を同期させることができず、波長が変化したときに２つのパルスレーザが射出する光パルス列のパルスにタイミング差が生じてしまう。さらに、光検出器の出力は対物レンズと光検出器の受光面の配置状態に大きく依存するため、対物レンズと光検出器の配置状態を２つの光で一致させなければ光パルス列が同期されない。
【０００６】
このような課題を鑑みて、本発明は、光強度、波長、パルス幅および対物レンズと光検出手段の配置状態などが変化しても、安定して動作する光パルス同期装置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】
本発明の一側面としての光パルス同期装置は、第１の繰り返し周波数で生成される第１の光パルスと第２の繰り返し周波数で生成される第２の光パルスとを同期する光パルス同期装置であって、前記第１および第２の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調手段と、前記第１および第２の光パルスを受光して第１の信号を出力する光検出手段と、前記変調周波数の信号および前記第１の信号に基づいて第２の信号を出力する同期検出手段と、前記第２の信号に応じて前記第１および第２の繰り返し周波数の少なくとも一方を調整する調整手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の側面としての光パルス列の同期方法は、第１の繰り返し周波数で生成される第１の光パルスと第２の繰り返し周波数で生成される第２の光パルスとを同期する光パルスの同期方法であって、前記第１および第２の光パルスの少なくとも一方の光路長を変調周波数で変化させる変調工程と、前記第１および第２の光パルスを受光して第１の信号を出力する光検出工程と、前記変調周波数の信号および前記第１の信号に基づいて第２の信号を出力する同期検出工程と、前記第２の信号に応じて前記第１および第２の周波数の少なくとも一方を調整する調整工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光強度、波長、パルス幅および対物レンズと光検出手段の配置状態などが変化しても、安定して動作する光パルス同期装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る光パルス同期装置の概念図である。
【図２】光検出器が受光する光パルス列に関する時間プロファイルである。
【図３】光検出器の出力電圧と変調周波数の電圧の時間プロファイルである。
【図４】同期検波回路の出力電圧とパルスのタイミング差の関係を示す図である。
【図５】図１とは異なる構成の光路長変調手段を有する光パルス同期装置の概念図である。
【図６】光パルス同期装置を利用したＳＲＳ顕微鏡の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施した光学機器の一例としての光パルス同期装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る光パルス同期装置の概念図である。光パルス同期装置５０は、パルスレーザ（第１の光生成手段）１が第１の繰り返し周波数で生成した第１のパルスと、パルスレーザ（第２の光生成手段）２が第２の繰り返し周波数で生成した第２のパルスのタイミングを一致させる。
【００１３】
ハーフミラー３は、パルスレーザ１，２から照射される光パルス列を同軸に合波するとともに、２方向へ分波する。分波した一方の光パルス列は光パルス同期装置５０で利用し、他方の光パルス列は非線形光学顕微鏡など同期した光パルス列が必要なシステムで利用する。ダイクロイックミラー４は、波長λ１である第１の光パルス列を透過させ、波長λ１とは異なる波長λ２である第２の光パルス列を反射するように設計された誘電体多層膜である。なお、本実施形態では、ハーフミラー３で合波したあとにダイクロイックミラー４で２つの波長の光パルス列に分波しているが、ハーフミラー３で合波する前に第１および第２の光パルス列をそれぞれハーフミラーで分波してもよい。
【００１４】
第１の光パルス列は、コリメータレンズ５によって光ファイバ８に導入される。第２の光パルス列は、ミラー６で反射した後、コリメータレンズ７によって光ファイバ９に導入される。
【００１５】
光路長変調手段（変調手段）１０は、光ファイバ９の長さをユーザが適宜変更可能な周波数（変調周波数）で伸縮させることにより、光ファイバ９を通過する光の光路長を周期的に変化させる。本実施形態の光路長変調手段１０は、円筒状の電歪素子に光ファイバ９が巻きつけられている。電歪素子に印加する電圧は変調周波数で変化させ、電歪素子は印加電圧に応じて円筒の動径方向に変位する。したがって、光ファイバ９が変調周波数で伸縮し、光ファイバ９を通過する光の光路長が周期的に変化する。結果として、第２の光パルス列が光検出器（光検出手段）１６に到達するタイミングが変化する。
【００１６】
光ファイバ９の伸縮による光路長の変化量は、パルスレーザ２のパルス幅の間に光が進む距離程度とする。パルス幅が１ピコ秒であれば光路長の変化量は３００μｍ程度である。ファイバコアの屈折率を考慮すると、光ファイバ９の長さの伸縮量は、２００μｍ程度でよい。直径数１０ｍｍの円筒状の電歪素子と１０ｍ程度の長さの光ファイバを用いると、光ファイバの伸縮量２００μｍを１０ｋＨｚ程度の変調周波数において実現できる。
【００１７】
第１の光パルス列は、コリメータレンズ１１を通して、光ファイバ８から再び空間に射出され、ミラー１３で反射される。第２の光パルス列は、コリメータレンズ１２を通して、光ファイバ９から再び空間に射出される。ダイクロイックミラー１４は、第１の光パルス列を透過させ、かつ第２の光パルス列を反射する。そのため、空間に放射された第１および第２の光パルス列は、ダイクロイックミラー１４により同軸に合波された後、対物レンズ１５により光検出器１６の受光面上に集光される。なお、ダイクロイックミラー１４はダイクロイックミラー４と同じ構成のものでよい。光検出器１６で検出する２光子吸収信号を大きくするため、対物レンズ１５は開口数が０．５以上のものが適する。
【００１８】
光ファイバ８の長さは、ハーフミラー３から光検出器１６までの区間において、第１の光パルス列が通過する光路長と第２の光パルス列が通過する光路長が一致するように調整する。本実施形態の光パルス同期装置では、第１および第２の光パルス列のパルスが光検出器１６に到達するタイミングを一致させる。そのため、光ファイバ８を前述のように調整すれば、ハーフミラー３で分波したもう一方の（非線形顕微鏡などで利用する）光ビームにおいてパルスのタイミングが一致する。
【００１９】
光検出器１６は、例えば、フォトダイオードなどの受光素子と、受光素子で生じた電流を電圧に変換して出力する電気回路からなる。光検出器１６の受光素子は、２光子吸収信号を得るために、第１の光パルス列の光子エネルギー（Ｅ１∝１／λ１）と第２の光パルス列の光子エネルギー（Ｅ２∝１／λ２）の和、つまりＥ１＋Ｅ２に対応した波長λ１・λ２／（λ１＋λ２）に感度を有する。第１の光パルス列の波長が８００ｎｍ、第２の光パルス列の波長が１０３０ｎｍである場合、受光素子は４５０ｎｍ近傍に光検出の感度を持つ必要があり、ＧａＡｓＰフォトダイオードが適する。第１または第２の光パルス列の波長がより大きい場合は、受光素子としてＳｉフォトダイオードを用いることが好ましい。
【００２０】
図２は、光検出器１６が受光する光パルス列に関する時間プロファイルである。図２（ａ）は光検出器１６の受光面における第１の光パルス列の強度の時間プロファイル、図２（ｂ）は光検出器１６の受光面における第２の光パルス列の強度の時間プロファイルである。本実施形態では、第１の光パルス列の第１の繰り返し周波数と第２の光パルス列の第２の繰り返し周波数の比を２：１としている。そのため、図２（ａ），（ｂ）に示すように第１の光パルス列に含まれるパルスのタイミングは、１パルスおきに第２の光パルス列に含まれるパルスのタイミングと一致する。なお、第１の光パルス列の第１の繰り返し周波数と第２の光パルス列の第２の繰り返し周波数の比は、本実施形態のように２：１に限らず任意の整数比を使用してよい。図２（ｃ）は、第１および第２の光パルス列がそれぞれ図２（ａ）および図２（ｂ）で示す状態のときの第１および第２の光パルス列の光子エネルギーの和Ｅ１＋Ｅ２に対応する２光子吸収信号（フォトダイオードで発生する電流）の時間プロファイルである。図２（ｄ）は、光路長変調手段１０によって光検出器１６に遅れて到達したときの第２の光パルス列の強度の時間プロファイルである。図２（ｅ）は、第１および第２の光パルス列がそれぞれ図２（ａ）および図２（ｄ）で示す状態のときの第１および第２の光パルス列の光子エネルギーの和Ｅ１＋Ｅ２に対応する２光子吸収信号の時間プロファイルである。２光子吸収信号は２つのパルスの強度の積に比例するため、図２（ｅ）に示す第１および第２の光パルス列のパルスにタイミング差がある場合の２光子吸収信号は、図２（ｃ）に示すタイミング差のない場合の２光子吸収信号に比べて小さい。
【００２１】
光検出器１６が出力する電圧には、Ｅ１＋Ｅ２に対応する２光子吸収による成分以外に、Ｅ１＋Ｅ１，Ｅ２＋Ｅ２といった第１および第２の光パルス列自身の２光子吸収による成分、Ｅ１，Ｅ２といった元の光子エネルギーによる成分が含まれる。しかしながら、Ｅ１＋Ｅ２以外の成分は、本実施形態の光パルス同期装置にとって不要である。特に、元の光子エネルギー（Ｅ１およびＥ２）による成分が検出されると、その成分は非常に大きいため、Ｅ１＋Ｅ２の成分の検出が困難となる。そのため、光検出器１６の受光素子のＰＮ接合のバンドギャップが光子エネルギーＥ１，Ｅ２以上となるように調整して、元の光子エネルギーによる成分が検出されないようにすることが望ましい。光子エネルギーＥ１に対応する波長を８００ｎｍ、光子エネルギーＥ２に対応する波長を１０３０ｎｍとする場合、バンドギャップは光子エネルギーＥ１（＝１．５５エレクトロンボルト）以上に設定することが望ましい。なお、ＧａＡｓＰフォトダイオードは、この条件を満たす。
【００２２】
２光子吸収の成分で不要なもの（Ｅ１＋Ｅ１およびＥ２＋Ｅ２）に関しては、バンドギャップを利用して除くことはできないが、次に述べる方法でＥ１＋Ｅ２に起因する成分のみを得ることができる。
【００２３】
光路長変調手段１０により光検出器１６の受光素子に到達する第１および第２の光パルス列のパルスのタイミング差を変化させることで、Ｅ１＋Ｅ２に起因する成分を変化させる。一方、Ｅ１＋Ｅ１およびＥ２＋Ｅ２に起因する成分は、各光パルス列自身によって生じるため変化しない。そのため、光検出器１６の出力電圧に含まれる変調周波数成分の振幅を抽出することにより、Ｅ１＋Ｅ２に起因する成分のみを得ることができる。
【００２４】
同期検波回路（同期検出手段）１７は、ロックインアンプなどの電気回路であり、光検出器１６の出力電圧である第１の電圧（第１の信号）に含まれる変調周波数成分の振幅を抽出し、第２の電圧（第２の信号）として出力する。具体的には、光検出器１６が出力する電圧と、変調周波数の矩形または正弦波形の電圧信号とをミキサ−で混合させ、その後でローパスフィルタ回路を通過させた電圧信号を出力する。ローパスフィルタの遮断周波数は、光パルス列の周波数をフィードバック制御するのに適した周波数として１ｋＨｚ程度に設定する。
【００２５】
図３は、光検出器１６の出力電圧と、同期検波回路１７で利用する変調周波数の電圧の時間プロファイルである。図３では、光検出器１６の帯域周波数が各光パルス列の繰り返し周波数より小さいとして模式的に表示している。つまり、１パルスごとの時間プロファイルは検出することはできず、数パルス〜数１００パルス分の信号が平均化されている。光検出器１６の出力電圧には、変化するＥ１＋Ｅ２に起因する成分の他、Ｅ１＋Ｅ１およびＥ２＋Ｅ２に起因する成分が含まれている。図４は、パルスのタイミング差と同期検波回路１７の出力電圧の関係を示したものである。
【００２６】
第１および第２の光パルス列が同期している場合、光検出器１６の出力電圧は、第２の光パルス列の光路長の変化によって、図３の実線で示すように周期的に変化する。ここで、第１および第２の光パルス列が同期しているとは、ハーフミラー３の位置において、第１および第２の光パルス列のパルスのタイミングが一致していることを指す。図３の二点鎖線で示す変調周波数の電圧がゼロのときに、第１および第２の光パルス列のパルスのタイミングが一致し、光検出器１６の出力電圧が最大となる。変調周波数の電圧が正または負になると、パルスにタイミング差が生じて光検出器１６の出力電圧は小さくなる。この場合の同期検波回路１７の出力電圧は、図３の実線と二点鎖線の積を時間平均したものであるから、図４においてゼロとなる。
【００２７】
パルスレーザ１またはパルスレーザ２の共振器長が外乱により変化し、第１および第２の光パルス列のパルスにタイミング差が生じた際の同期検波回路１７の出力について説明する。パルスのタイミング差は、変調周波数および同期検波回路１７のローパスフィルタ遮断周波数よりも小さな周波数で変化するとする。
【００２８】
第１の光パルス列が第２の光パルス列に対して遅れた場合、図３の点線で示すように、光検出器１６の出力電圧は、光路長変調手段１０によって第２の光パルス列を遅らせた時間帯（変調周波数の信号が正となる時間帯）において最大となる。この場合の同期検波回路１７の出力電圧は、図３の点線と二点鎖線の積を時間平均したものであるから、図４において正の値となる。第１の光パルス列の遅れがより大きい場合、同期検波回路１７はより大きな正の値を出力する。
【００２９】
第１の光パルス列が第２の光パルス列に対して進んだ場合、図３の一点鎖線で示すように、光検出器１６の出力電圧は、光路長変調手段１０によって第２の光パルス列を進ませた時間帯（変調周波数の信号が負となる時間帯）において最大値となる。この場合の同期検波回路１７の出力電圧は、図３の一点鎖線と二点鎖線の積を時間平均したものであるから、図４において負の値となる。第１の光パルス列の進みがより大きい場合、同期検波回路１７は絶対値がより大きな負の値を出力する。
【００３０】
上述したように、同期検波回路１７の出力電圧は、第１および第２の光パルス列のパルスがハーフミラー３に到達する際のタイミング差を反映している。
【００３１】
フィードバック回路１８は、同期検波回路１７の出力電圧に対応したパルスのタイミング差を補正するために、パルスレーザ２内の周波数調整手段（調整手段）１９に印加する電圧を出力する。
【００３２】
周波数調整手段１９は、位相変調器またはミラーを取り付けたステージによって構成され、位相変調器への電圧印加やステージ駆動により共振器長を調整する。また、周波数調整手段１９は、パルスレーザ１内に設置して、パルスレーザ１の共振器長を調整してもよい。
【００３３】
同期検波回路１７の出力電圧が正の値である場合、第１の光パルス列は第２の光パルス列に対して遅れているので、パルスレーザ２の共振器長を大きくすることで第２の光パルス列を遅らせて第１および第２の光パルス列を同期させる。そのために、フィードバック回路１８は、パルスレーザ２の共振器長を大きくするような電圧を周波数調整手段１９に印加する。同期検波回路１７の出力電圧が負の値である場合はその逆で、フィードバック回路１８はパルスレーザ２の共振器長を小さくするような電圧を出力する。以上説明したように、同期検波回路１７の出力電圧をゼロにするようなフィードバック制御により、第１および第２の光パルス列のパルスのタイミングを一致させる。なお、同期検波回路１７の出力電圧がゼロでない値となるようにフィードバック回路１８を構成し、第１および第２の光パルス列のパルスに所定のタイミング差を与えることも可能である。
【００３４】
本実施形態の光パルス同期装置では、第２の光パルス列に対して第１の光パルス列が遅れているか、または進んでいるか、を同期検波回路１７の出力電圧の符号で判別できる。そのため、光強度やパルス幅が変化した場合であっても、同期検波回路１７の出力電圧の絶対値が変わるだけで符号は変化しないため、光パルス列の同期が実現可能となる。同様に、光検出器１６が感度を有する範囲内で波長が変化した場合であっても、光パルス列の同期が実現可能となる。また、光検出器を１つだけ利用しているので、特許文献２のように対物レンズと光検出器の配置状態を２つの光検出器で一致させる必要がない。
【００３５】
また、本実施形態では、２つのパルスレーザの発する光の波長を異ならせているが、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を利用することで２つのパルスレーザの発する同じ波長の光パルス列を同期させることが容易に可能となる。
【００３６】
また、本実施形態では、光路長変調手段１０によって光ファイバ９の光路長を変化させているが、光ファイバ８の光路長を変化させても上述した効果を得ることが可能である。また、本実施形態では、光路長変調手段を１つだけ設けているが、複数設けてもよい。例えば、光路長変調手段１０と同一の光路長変調手段を光ファイバ８の伸縮に用いる。このとき、光ファイバ８の伸縮の位相は、光ファイバ９の伸縮の位相と反転させておく。そうすることで、２つの光路長変調手段による光路長の変調量が２倍となるため、パルス幅がより大きな光パルス列においても光パルス列を安定して同期させることが可能となる。
【００３７】
また、本実施形態の光路長変調手段１０では、電歪素子を円筒の動径方向に伸縮させることで巻きつけた光ファイバ９を伸縮させているが、直線的に光ファイバを伸縮させてもよい。図５に示すように、光ファイバやコリメータレンズを利用しない光路長変調手段として、光路長変調手段３０を電動ステージ（駆動手段）３１とミラー（反射部材）３２〜３５によって構成してもよい。
【００３８】
また、光検出器１６は、Ｅ１＋Ｅ２の光子エネルギーに対応する波長に感度を持ち、変調周波数以上の帯域をもつ他の光検出器に置き換えてもよい。
【００３９】
次に、本実施形態の光パルス同期装置を利用したＳＲＳ（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、誘導ラマン散乱）顕微鏡について、図６を用いて説明する。ＳＲＳ顕微鏡では、異なる波長の２つの光を光学系により同時に試料に照射することで発生するＳＲＳを検出系により検出する。ＳＲＳは、非線形光学現象の一つであり、それぞれの波長の光の強度の積に比例して発生する。そのため、効率よくＳＲＳを発生させるために、２つの波長のレーザの光ビームを同一地点に集光し、かつ２つの波長の光パルスが同時に集光するよう光パルス列を同期させる。ＳＲＳが発生すると、２つの波長の光パルスのうち、波長が短い方の光パルスの強度が弱まり、波長が長い方の光パルスの強度が強まる。また、ＳＲＳを効率よく発生させるため、パルス幅が１〜１０ｐｓの短パルスレーザを利用するのが望ましい。
【００４０】
本実施形態では、パルスレーザ１として中心波長（λ１）８００ｎｍ、繰り返し周波数８０ＭＨｚの固体レーザ（チタンサファイアレーザ）を利用する。また、パルスレーザ２として、中心波長（λ２）１０３０ｎｍ、繰り返し周波数４０ＭＨｚのイッテルビウムドープファイバレーザを利用する。
【００４１】
ハーフミラー３は、パルスレーザ１，２から照射される光ビームを同軸に合波するとともに、２方向へ分波する。分波した一方の光ビームは光パルス同期装置に入射し、他方の光ビームはＳＲＳ顕微鏡１００に入射する。本実施形態のパルスレーザ１，２および光パルス同期装置５０により照明装置を構成している。
【００４２】
パルスレーザ１，２の光ビームは、同軸でビームスキャナ１０１に入射し、ビームスキャナ１０１により偏向して出射する。ビームスキャナ１０１は、ガルバノスキャナとレゾナントスキャナで構成され、直交する２方向へ光軸の向きを変える。図の簡略化のため、ビームスキャナ１０１内の２つのミラーは、図６において１つのミラーで代表して表示している。レゾナントスキャナ（スキャン周波数８ｋＨｚ）とガルバノスキャナ（スキャン周波数１５Ｈｚ）を利用すれば、５００ラインの画像を毎秒３０フレーム取得することができる。
【００４３】
ビームスキャナ１０１で偏向された光ビームは、レンズ１０２，１０３を通して対物レンズ１０４に入射する。ビームスキャナ１０１と対物レンズ１０４の入射瞳が共役となるようにレンズ１０２，１０３を配置することで、ビームスキャナ１０１で光ビームが偏向しても、遮光により光量が変化することなく試料１０５に集光する。レンズ１０２，１０３の焦点距離は、対物レンズ１０４の入射瞳サイズと入射する光ビームサイズが同等になるように選択する。そうすれば、対物レンズ１０４により集光する光スポットサイズを最小化させ、ＳＲＳ信号を検出する空間分解能が向上する。また、光スポットの強度が高まることでＳＲＳ信号が大きくなるので、ＳＲＳ信号を検出するＳＮ比も向上する。対物レンズ１０４は、ＳＲＳ信号を検出する空間分解能とＳＮ比の観点から、開口数（ＮＡ）の大きい対物レンズが望ましい。
【００４４】
試料１０５は、数１０〜２００μｍの厚みのカバーガラス（不図示）により挟まれている。ビームスキャナ１０１による光ビームの偏向により、試料１０５に集光した光スポットは２次元走査され、ＳＲＳ信号が２次元画像化される。ＳＲＳ信号は、集光した光スポットに局在して生じるため、ステージ（不図示）により試料１０５を光軸方向に移動させることで３次元画像を得ることもできる。
【００４５】
対物レンズ１０６は、試料１０５を透過し、ＳＲＳによって強度変調をうけた光をもれなく受け取るべく、対物レンズ１０４のＮＡと同等以上のＮＡの対物レンズとする。対物レンズ１０６を出射した光ビームは、フィルタ１０７、レンズ１０８を透過した後、フォトダイオード１０９の受光面に照射される。フィルタ１０７は、誘電体多層膜で構成され、波長λ２の光を遮断し、波長λ１の光を透過する。フォトダイオード１０９には、パルスレーザ１から出射し、ＳＲＳによる強度変調を１パルスごとに繰り返す光パルス列が照射される。フォトダイオード１０９は、８００ｎｍの光パルス列に感度をもつシリコンフォトダイオードで遮断周波数が４０ＭＨｚ以上であるものを利用する。
【００４６】
電流電圧変換回路１１０は、フォトダイオード１０９で発生した電流信号を電圧として出力するための電気回路である。
【００４７】
同期検波回路１１１は、電流電圧変換回路１１０が出力する電圧信号から４０ＭＨｚ成分の振幅を抽出し電圧として出力するもので、ミキサ回路またはロックインアンプを利用する。同期検波回路１１１の出力電圧は、試料１０５における集光点でＳＲＳがどの程度起きたかを示す。
【００４８】
計算機１１２は、ビームスキャナ１０１の制御信号を利用し、同期検波回路１１１の出力信号を２次元画像化し、表示する。計算機１１２は、ステージ（不図示）で試料１０５を光軸方向に移動させて取得したＳＲＳ信号を、３次元画像表示することもできる。また、計算機１１２は、２つのパルスレーザの少なくとも一方の波長を変化させて取得したＳＲＳ信号からラマンスペクトルを表示することもできる。
【００４９】
第１および第２の光パルス列のパルスのタイミングが、図２（ａ），（ｂ）で示されるように一致し、かつ試料１０５上の同一地点に集光させると、ＳＲＳによって試料１０５を透過した光パルスの光強度が変化する。具体的には、図２（ａ）におけるパルス１，３，５の光強度は小さくなり、パルス２，４の光強度は変化しない。検出した光強度の差がＳＲＳ信号に対応し、光ビームを集光させた地点に含まれる分子の情報が反映される。例えば、集光させた地点に含まれる分子振動の共振周波数と２つのレーザの光周波数の差（ｃ／λ１−ｃ／λ２）が一致したとき、ＳＲＳ信号が大きくなる。なお、ｃは、光速を表している。２つのレーザの光周波数の差（ｃ／λ１−ｃ／λ２）を変化させながら、ＳＲＳ信号を取得することでラマンスペクトルを取得できる。ラマンスペクトルから試料にどのような分子が含まれるか推定できる。したがって、ＳＲＳ顕微鏡は、自発ラマンを利用した顕微鏡と同等のスペクトルを取得することができる。ＳＲＳの散乱効率は自発ラマン散乱の散乱効率より非常に大きいため、ＳＲＳ顕微鏡は自発ラマン散乱を利用した顕微鏡より短い時間でラマンスペクトルを取得することが可能となる。本実施形態のＳＲＳ顕微鏡では、ラマンスペクトルを得るために２つのレーザの少なくとも一方の波長を変化させても、光パルス同期装置により安定に光パルス列を同期させることが可能である。
【００５０】
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。
【符号の説明】
【００５１】
１０    光路長変調手段（変調手段）
１６    光検出器（光検出手段）
１７    同期検波回路（同期検出手段）
１９    周波数調整手段（調整手段）
【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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