(57)【要約】【課題】広帯域かつ高分解能のラマンスペクトル計測を高速に実施可能な低コストの計測装置を提供すること。【解決手段】第１の光を生成する第１の光生成手段１と、第１の光とは異なる光周波数を有する第２の光を生成する第２の光生成手段２と、第１の光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子１２と、第１の光の光分散素子への入射角度を変更する入射角度変更手段１１と、光分散素子から出射する第１の光の一部の光周波数帯域を抽出する光抽出手段１５と、第１の光および第２の光に対し光周波数に応じた時間遅延を与えるチャープ付与手段１９，２６と、第１の光と第２の光を合成して試料に照射する照射光学系２２，２８〜３２と、を有し、入射角度変更手段は、光分散素子への入射角度を第１の状態から第２の状態に変化させることで、第１の光生成手段から試料までの光学距離を時間遅延の変化量に応じて変化させる。【選択図】  図１
2016029340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を生成する第１の光生成手段と、
前記第１の光とは異なる光周波数を有する第２の光を生成する第２の光生成手段と、
前記第１の光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子と、
前記第１の光の前記光分散素子への入射角度を変更する入射角度変更手段と、
前記光分散素子から出射する前記第１の光の一部の光周波数帯域を抽出する光抽出手段と、
前記第１の光および前記第２の光に対し光周波数に応じた時間遅延を与えるチャープ付与手段と、
前記第１の光と前記第２の光を合成して試料に照射する照射光学系と、
を有し、
前記入射角度変更手段は、前記光分散素子への入射角度を第１の状態から第２の状態に変化させることで、前記第１の光生成手段から前記試料までの光学距離を前記時間遅延の変化量に応じて変化させることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記入射角度変更手段は、前記第１の状態から前記第２の状態に変化する際に前記時間遅延の変化量が正である場合、前記光学距離を短くすることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記第１の状態において前記第１の光生成手段から前記試料までの光学距離を前記第１の光が通過するのにかかる第１の時間に対する、前記第２の状態における前記第１の光生成手段から前記試料までの光学距離を前記第１の光が通過するのにかかる第２の時間との差が負であることを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記時間遅延の変化量は、前記光周波数帯域が変化する量と、前記第１の光の光周波数変化に対する時間変化の割合で定義されるチャープ率と、を乗じて得られることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記第１の状態における前記第１の光生成手段から前記試料までの光学距離をＬ１、前記第２の状態における前記第１の光生成手段から前記試料までの光学距離をＬ２、前記第１の状態における前記光抽出手段が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω１、前記第２の状態における前記光抽出手段が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω２、前記第１の光の光周波数変化に対する時間変化の割合で定義されるチャープ率をα、光速をｃ、としたとき、
（ω２−ω１）α  ＝  （Ｌ１  −Ｌ２  ）／ｃ  
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記光分散素子は反射型回折格子であり、
前記入射角度変更手段と前記光抽出手段はリトロー配置されており、
前記第１の状態における前記反射型回折格子への入射角度をΘ１、前記第２の状態における前記反射型回折格子への入射角度をΘ２、前記反射型回折格子の格子定数をＮ、前記第１の状態における前記光抽出手段が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω１、前記第２の状態における前記光抽出手段が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω２、前記第１の光の光周波数変化に対する時間変化の割合で定義されるチャープ率をα、光速をｃ、円周率をπ、前記入射角度変更手段から前記反射型回折格子までの距離をｄ、としたとき、
（ω２−ω１）α  ＝  ２ｄ（１／ｃｏｓΘ１−１／ｃｏｓΘ２）／ｃ
なる条件を満たし、かつ、
２πｃＮ／ωｉ  ＝  ２  ｓｉｎΘｉ    ，  ｉ  ＝  １，２
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記入射角度変更手段は、前記第１の光を反射するガルバノミラーであることを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記光分散素子は前記入射角度変更手段に固定された反射型回折格子であり、
前記入射角度変更手段と前記光抽出手段はリトロー配置されており、
前記第１の状態における前記反射型回折格子への入射角度をΘ１、前記第２の状態における前記反射型回折格子への入射角度をΘ２、前記反射型回折格子の格子定数をＮ、前記第１の状態における前記光抽出手段が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω１、前記第２の状態における前記光抽出手段が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω２、前記第１の光の光周波数変化に対する時間変化の割合で定義されるチャープ率をα、光速をｃ、円周率をπ、前記第１の光から前記入射角度変更手段によって回転する前記反射型回折格子の回転中心までの距離をｄ’、としたとき、
（ω２−ω１）α  ＝  ２ｄ’（ｔａｎΘ１−ｔａｎΘ２）／ｃ  
なる条件を満たし、かつ、
２πｃＮ／ωｉ  ＝  ２  ｓｉｎΘｉ    ，  ｉ  ＝  １，２
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記光分散素子は透過型回折格子であり、
前記第１の状態における前記入射角度変更手段から前記透過型回折格子への光学距離をｌ１、前記第２の状態における前記入射角度変更手段から前記透過型回折格子への光学距離をｌ２、前記第１の状態における前記透過型回折格子への入射角度をΘ１、前記第２の状態における前記透過型回折格子への入射角度をΘ２、前記第１の状態と前記第２の状態における前記透過型回折格子に入射する入射位置の間の距離をｄ”、前記第１の状態と前記第２の状態における前記透過型回折格子から出射する出射角度をΘｔ、前記透過型回折格子の格子定数をＮ、前記第１の状態における前記光抽出手段が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω１、前記第２の状態における前記光抽出手段が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω２、前記第１の光の光周波数変化に対する時間変化の割合で定義されるチャープ率をα、光速をｃ、円周率をπ、としたとき、
（ω２−ω１）α  ＝  ２（ｌ２  ＋ｄ”ｓｉｎΘｔ  −ｌ１  ）／ｃ  
かつ、
ｌ２ｃｏｓΘ２  ＝  ｌ１ｃｏｓΘ１
かつ、
ｓｉｎΘｉ  ＋  ｓｉｎΘｔ  ＝  ２πｃＮ／ωｉ，  ｉ＝  １，２
かつ、
ｌ１  ｓｉｎΘ１  -  ｌ２ｓｉｎΘ２＝ｄ”
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記入射角度変更手段は、前記第１の光を反射するガルバノミラーであることを特徴とする請求項９に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記透過型回折格子から透過する光を反射する反射部材を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の計測装置。
【請求項１２】
前記第１の光と前記第２の光が前記試料に照射されることで生じた誘導ラマン散乱を検出する検出手段を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１３】
前記第１の光は、ストークス光であり、
前記第２の光は、ポンプ光であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１４】
前記第１の光の波長幅は、前記第２の光の波長幅よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１５】
前記第１の光および前記第２の光の光周波数変化に対する時間変化の割合で定義されるチャープ率は互いに等しいことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の計測装置。
【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て分子振動イメージングを行う計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、互いに光周波数が異なる２つのパルス光（ポンプ光およびストークス光）を試料に照射する誘導ラマン散乱計測装置について開示がある。特許文献１では、２つのパルス光の光周波数の差が試料の分子振動周波数と一致すると誘導ラマン散乱という現象が生じることを利用して、試料の分子の振動情報を反映した分子振動イメージングを行っている。また、ストークス光の光周波数をスキャンさせるため、光分散素子にストークス光が入射する入射角を変化させる構成が開示されている。
【０００３】
非特許文献１には、Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ法を使って２つのパルス光に群速度分散によるパルス光内での時間遅延を与え、両パルス光のチャープ（時間に対する光周波数の変化）を平行にすることが開示されている。また、平行になる様にチャープさせた２つのパルス光の相対的な時間差を調整するとともに、パルス光の一方の光周波数の変換を行うことによって、パルス光間の差周波数を可変にすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１１３６２３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊｕｅ  Ｓｕ，  Ｒｕｘｉｎ  Ｘｉｅ，  Ｃａｒｅｙ  Ｋ．  Ｊｏｈｎｓｏｎ，  Ｒｏｎｇｑｉｎｇ  Ｈｕｉ，  “Ｓｉｎｇｌｅ−ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｒａｍａｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”  Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ｂ  Ｖｏｌ．  ３０  Ｎｏ．  ６  ｐｐ．  １６７１−１６８２  （２０１３）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
短時間で正確に試料に含まれる分子を同定・区別するためには、広帯域でスペクトル分解能が良く低ノイズのラマンスペクトルを高速に取得する必要がある。
【０００７】
特許文献１では、スペクトル幅の狭いポンプ光と、元々スペクトル幅の広いパルス光から光周波数可変バンドパスフィルタによって狭帯域化したストークス光を試料に照射することで、ラマンスペクトルを高分解能で高速に取得している。高速で低ノイズの誘導ラマン散乱計測をするためには十分強い光パワーが必要であるが、狭帯域化する際にストークス光は著しく強度が低下するので、特許文献１では、試料に照射する前にファイバアンプにより増幅をしている。しかしながら、一般にファイバアンプで増幅可能な光周波数帯域は限られているため、ストークス光の光周波数掃引範囲も制限される。この状態で広帯域のラマンスペクトルを取得するために、特許文献１ではポンプ光の発生手段を多段化し異なる光周波数のポンプ光を切り替えてサンプルに照射しており、装置が複雑で高コストになるという問題があった。
【０００８】
非特許文献１では、可変光減衰器（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）とフォトニッククリスタルファイバを用いて、ストークス光の光周波数を可変にしている。また、同時に遅延ステージを動かすことによって時間分布を可変にし、光周波数の変更に伴い生じたポンプ光とストークス光のパルスのタイミングのずれを解消している。この方法の場合、レーザパルス光の光周波数帯域を必ずしも狭帯域に抽出する必要性は無いため、ファイバアンプを用いる事が出来ない光周波数帯域のパルス光源を用いても誘導ラマン散乱計測を行うのに十分なパワーを得る事が可能である。しかし、この場合は、可変の遅延ステージが必要で、これを光周波数掃引のための可変光減衰器と連動して動かす必要があるため、構成および制御が複雑になり光周波数掃引の高速化と低コスト化に課題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、広帯域かつ高分解能のラマンスペクトル計測を高速に実施可能な低コストの計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面としての計測装置は、第１の光を生成する第１の光生成手段と、前記第１の光とは異なる光周波数を有する第２の光を生成する第２の光生成手段と、前記第１の光を光周波数に応じて異なる方向に分離する光分散素子と、前記第１の光の前記光分散素子への入射角度を変更する入射角度変更手段と、前記光分散素子から出射する前記第１の光の一部の光周波数帯域を抽出する光抽出手段と、前記第１の光および前記第２の光に対し光周波数に応じた時間遅延を与えるチャープ付与手段と、前記第１の光と前記第２の光を合成して試料に照射する照射光学系と、を有し、前記入射角度変更手段は、前記光分散素子への入射角度を第１の状態から第２の状態に変化させることで、前記第１の光生成手段から前記試料までの光学距離を前記時間遅延の変化量に応じて変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、広帯域かつ高分解能のラマンスペクトル計測を高速に実施可能な低コストの計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例にかかる非線形ラマン散乱顕微鏡の概念図である。
【図２】本発明の第１の実施例にかかる抽出する光周波数とパルス光のタイミングを調節する部位を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施例にかかるパルス光の光周波数と時間遅延を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施例にかかる抽出する光周波数とパルス光のタイミングを調節する部位を説明する図である。
【図５】本発明の第３の実施例にかかる抽出する光周波数とパルス光のタイミングを調節する部位を説明する図である。
【図６】従来のポンプ光およびストークス光の時間および光周波数における分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
まず、図６を用いて、従来のラマンスペクトル計測の問題点について説明する。なお、以下ではパルス光の光電場の角周波数を光周波数と呼び、ωで表す。
【００１５】
ラマンスペクトルは、試料に含まれる分子振動に起因し分子に固有であるため、これを測定する事によって、試料に含まれる分子の同定や区別を行う事ができる。従来、測定時間の短縮を目的として、非線形光学過程を利用したラマン散乱顕微鏡が提案されている。例えば、ＣＡＲＳ（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ａｎｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、コヒーレントアンチストークスラマン散乱）顕微鏡やＳＲＳ（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、誘導ラマン散乱）顕微鏡がある。これらの顕微鏡では光周波数の異なる２つのパルス光を顕微鏡下で試料に照射する。２つのパルス光のうち光周波数が高い方をポンプ光、低い方をストークス光と呼ぶ。ＳＲＳ顕微鏡では、ポンプ光とストークス光の光周波数の差周波数が試料の分子振動数と一致した際にストークス光のエネルギーが増加し、ポンプ光のエネルギーが減少する。ここで、２つのパルス光の差周波数を掃引すると、分子振動周波数に応じてパルス光の強度（以後、ＳＲＳ強度と呼ぶ）が変化する。このＳＲＳ強度変化を測定するとラマンスペクトルとして観測する事ができる。
【００１６】
図６（ａ）から（ｄ）は、ポンプ光とストークス光の時間ｔおよび光周波数ωにおける分布の模式図を示している。図６（ａ）は特許文献１における分布を示している。光周波数ωｐのポンプ光と光周波数ωｓのストークス光の光周波数幅は狭く無視でき、ＳＲＳは差周波数であるΔωａ（＝ωｐ−ωｓ）によって生じる。高速に光周波数掃引可能な狭帯域な光周波数可変バンドパスフィルタによって狭帯域化したストークス光を試料に照射するのでラマンスペクトルを高分解能で高速に取得できるが、上述したように装置が複雑で高コストになるという問題があった。
【００１７】
そこで、広帯域の光周波数可変バンドパスフィルタを使用することでポンプ光とストークス光を広帯域の状態で試料に照射する場合を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）に示すようにポンプ光およびストークス光の光周波数における幅は無視できないほど広く、ストークス光は光周波数ωｓ１からωｓ２まで、ポンプ光はωｐ１からωｐ２までの広い範囲で分布しているとする。この場合は、ストークス光とポンプ光を共に照射した際の差周波数がΔωｂ（＝ωｐ２−ωｓ１）からΔωｂ’（＝ωｐ１−ωｓ２）の幅を持つ事になる。このため、差周波数はΔωｂからΔωｂ’の範囲にわたって生じることとなり、この状態でラマンスペクトルを測定すると、Δωｂ−Δωｂ’に応じてラマンスペクトルのスペクトル分解能が悪化する。
【００１８】
そこで、２つのパルス光に群速度分散によるパルス光内での時間遅延を与え、両パルス光のチャープ（時間に対する光周波数の変化）を平行にした場合を図６（ｃ）に示す。図６（ｃ）では図６（ｂ）と同じくスペクトル幅の無視できないストークス光を示しており、ストークス光が光周波数ωｓ１からωｓ２の範囲に広がっている。ポンプ光も無視できないスペクトル幅を持っている。図６（ｂ）と異なる点は、ストークス光およびポンプ光にチャープ（パルス光内での光周波数の時間変化）を与えている点である。ポンプ光の光強度は時間ｔ＝ｔ１からｔ２に渡って分布させている。ポンプ光と平行にチャープさせたストークス光を破線で示す。ストークス光の光周波数分布のうち、光抽出手段によって抽出した範囲をωｓ１からωｓ３とし網掛で示す。このとき抽出したストークス光もポンプ光と同様に時間ｔ１からｔ２の範囲に分布している。この状態では、ポンプ光とストークス光のチャープが平行になっていることから、ポンプ光とストークス光の差周波数Δωｃは時間ｔ１からｔ２の範囲で一定の値Δωｃに保ち、差周波数の幅を図６（ｂ）のΔωｂ−Δωｂ’よりも小さくすることができる。ここで、ラマンスペクトルを測定するために、ストークス光の抽出範囲を図６（ｃ）の塗りつぶしで示す光周波数ωｓ４からωｓ５までに変更した場合について考える。図６（ｃ）に示すように、ただ抽出する光周波数の範囲を変更しただけでは、ポンプ光とストークス光の差周波数は変更前と同じΔωｃであり、差周波数を可変にすることができない。また、抽出したストークス光の分布が時間ｔ＝ｔ１からｔ２の範囲からはみ出すため、ポンプ光とストークス光が時間的に同時に試料にあたる時間が短くなり、ＳＲＳが生じにくくなる。
【００１９】
次に、非特許文献１に記載されている誘導ラマン散乱顕微鏡によるポンプ光とストークス光の分布を図６（ｄ）に示す。この方法では、可変光減衰器とフォトニッククリスタルファイバを用いてストークス光の光周波数を可変にしており、チャープさせたストークス光の周波数分布を図６（ｄ）のω−ｓｃａｎで示される矢印の方向に移動させることが可能となっている。また、同時に遅延ステージを動かすことによって時間分布をｔ−ｓｃａｎで示される矢印の方向に可変にし、光周波数の変更に伴い生じたポンプ光とストークス光のパルスのタイミングのずれを解消している。このため、ストークス光の光周波数を変更しても、ストークス光の分布を常に時間ｔ１からｔ２の範囲に調整する事が可能となり、ポンプ光とストークス光が時間的に同時に試料にあたる時間を長くとることが可能となる。
【００２０】
ただし、この場合は、上述したように、可変の遅延ステージが必要で、これを光周波数掃引のための可変光減衰器と連動して動かす必要があり、構成および制御が複雑になり光周波数掃引の高速化と低コスト化に課題があった。
【００２１】
次に、本発明の実施形態にかかる非線形ラマン散乱顕微鏡（計測装置）について、図１〜５を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施例にかかる非線形ラマン散乱顕微鏡を表す図である。図１において、１は第１のパルス光７０を放射するパルスレーザであり、ストークス光光源として用いる。２は第２のパルス光８０を放射するパルスレーザであり、ポンプ光光源として用いる。本実施例においてパルスレーザ１は、ストークス光（第１の光）を生成する第１の光生成手段として構成される。また、パルスレーザ２は、ポンプ光（第１の光とは異なる光周波数を有する第２の光）を生成する第２の光生成手段として構成される。
【００２３】
図１でストークス光である第１のパルス光７０の繰り返し周波数は４０ＭＨｚであり、ポンプ光である第２のパルス光８０は繰り返し周波数８０ＭＨｚで放出されており、繰り返し周波数の比率が１：２となっている。つまり、ポンプ光の繰り返し周波数は、ストークス光の繰り返し周波数よりも高い。また、パルスレーザ１は、共振器長を変化させることによって繰り返し周波数の微調整が可能である。ポンプ光とストークス光が試料に照射されるタイミングを同期させることによって、試料３３にはポンプ光のみの照射とポンプ光とストークス光の両光の照射が交互に生じる。ポンプ光とストークス光が同時に試料に照射された場合のみＳＲＳが生じるため、ポンプ光は４０ＭＨｚの周波数で強度変調される。
【００２４】
本実施形態ではこのＳＲＳによるポンプ光の強度変調を検出する事によってＳＲＳを測定している。
【００２５】
３は第１のパルス光７０を分波するビームスプリッタであり、パルス光４とパルス光５へと分け、パルス光４は試料３３に照射するため、パルス光５はポンプ光との同期をとるために用いる。６、７、８、９はパルス光４を導くミラーである。
【００２６】
１１はパルス光４の光分散素子１２への入射角度を変更（調整）する入射角度変更手段である。入射角度変更手段１１は、本実施形態ではガルバノミラーである。１０は、光入射角度変更手段１１を駆動するドライバである。１２はパルス光４を分散させる光分散素子であり、本実施形態では反射型回折格子である。光分散素子１２は、パルス光４を光周波数に応じて異なる方向に分離する作用を有する。ドライバ１０で入射角度変更手段１１を駆動する事によって、光分散素子１２へ入射する角度が調整され、その結果光分散素子１２から分散されながら反射するパルス光４の角度を調整する事が可能になる。
【００２７】
光分散素子１２によって分散されたパルス光４は再度入射角度変更手段１１とミラー９で反射する。１３はＤ字型ミラーであり、ミラー８からのパルス光４はその反射面の近傍を通り抜けるが、ミラー９からのパルス光４は反射される。１４はレンズであり、Ｄ字型ミラー１３からのパルス光４を集光する。１５はレンズ１４によって集光された光の一部を抽出する光抽出手段であり、本実施形態ではスリットである。レンズ１４の焦点にスリットの開口部が配置されており、前述のドライバ１０によって光抽出手段１５を透過するパルス光４の光周波数を選択する事が可能となる。換言すれば、光抽出手段１５は、光分散素子１２から出射するパルス光４の一部の光周波数帯域を抽出する。なお、入射角度変更手段１１と光抽出手段１５はリトロー配置で設置されている。
【００２８】
１００は、ドライバ１０、入射角度変更手段１１、光分散素子１２から成る分散光学ユニットであり、この分散光学ユニット１００を拡大表示したのが図２である。
【００２９】
分散光学ユニット１００に入射したパルス光４は、図２に示されるように入射角度変更手段１１上の位置Ａで反射している。位置Ａは、パルス光４が入射角度変更手段１１に入射する入射位置、または、パルス光４を光分散素子１２に反射する反射位置である。
【００３０】
光分散素子１２は位置Ａから距離ｄだけ離れて設置されており、光分散素子１２によってパルス光４が反射される位置はドライバ１０で駆動される入射角度変更手段１１の角度に応じて変化し、図２ではＢ１とＢ２で示されている。以下では、パルス光４が光分散素子１２の位置Ｂ１に入射および反射している状態を第１の状態、位置Ｂ２に入射および反射している状態を第２の状態という。なお、パルス光４が光分散素子１２に入射する入射角度がΘ１のときの状態を第１の状態、入射角度がΘ２のときの状態を第２の状態としてもよい。
【００３１】
図２に示すように、位置Ｂ１で反射される場合の光分散素子１２への入射角度をΘ１、入射角度変更手段１１の点Ａから位置Ｂ１までの光学距離をｌ１とする。この際、リトロー配置で反射される光の光周波数はω１とする。同様に位置Ｂ２で反射される場合はそれぞれΘ２、ｌ２、ω２とする。換言すれば、第１の状態におけるパルス光４の光分散素子１２への入射角度をΘ１、第１の状態における入射角度変更手段１１から光分散素子１２への光学距離をｌ１、第１の状態における光抽出手段１５が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω１、とする。また、第２の状態におけるパルス光４の光分散素子１２への入射角度をΘ２、第２の状態における入射角度変更手段１１から光分散素子１２への光学距離をｌ２、第２の状態における光抽出手段１５が抽出する光周波数帯域内の任意の光周波数をω２とする。
【００３２】
光分散素子１２によって反射されたパルス光４は位置Ａに戻っており、位置Ａから位置Ｂ１を経由して再度位置Ａに到達するまでの光学距離は２ｌ１であり、同様に位置Ｂ２を経由した場合は２ｌ２である。なお、光周波数の単位はラジアン／秒とする。
【００３３】
位置Ｂ１で反射した場合と位置Ｂ２で反射した場合の光学距離の差ΔＬは、入射角度変更手段１１の角度によって決まり、数式（１）で表される。
【００３４】
【数１】
2016029340.tif 000003
【００３５】
ただし、図２で示される第１の実施例の場合は、Ｌ１＝２ｌ１，Ｌ２＝２ｌ２である。
【００３６】
この光学距離の差によって、相対的に、数式（２）で表される遅延τａが生じる。つまり、入射角度変更手段１１によって光分散素子１２への入射角度が第１の状態から第２の状態に変化することで光学距離が変化することによって遅延（時間差）が生じる。
【００３７】
【数２】
2016029340.tif 000004
【００３８】
ただし、ここでｃは光速である。
【００３９】
この光学距離の差が生じることによって、入射角度変更手段１１を動かすと、光抽出手段１５を通過する光周波数を選択する事が可能であると同時に、入射角度変更手段１１の角度に応じて、数式（２）で表される遅延を与えることが可能である。本実施形態では光分散素子１２として反射型回折格子を用いており、この場合の光周波数の選択は、数式（３）で表されるグレーティング方程式に従う。
【００４０】
【数３】
2016029340.tif 000005
【００４１】
ただし、Θｉは回折格子への入射角、Θｒは反射角、πは円周率、Ｎは（回折格子の）格子定数、ｍは回折次数、ωは光周波数とする。
【００４２】
また、パルス光４のチャープ率αを時間変化Δｔ／光周波数変化Δωと定義すると、パルス光４を抽出する際の光周波数の選択に応じて、光周波数とチャープ率αを乗じた遅延が生ずる。つまり、後述するチャープ付与手段１９が付与する時間遅延は、入射角度変更手段１１による第１の状態から第２の状態への変更に伴って、光抽出手段１５により抽出されるパルス光４の一部の光周波数帯域が変化することにより変化する。この時間遅延の変化量（遅延τｂ）は、抽出するパルス光４の一部の光周波数帯域が変化する量と、パルス光４の光周波数変化Δωに対する時間変化Δｔの割合で定義されるチャープ率αと、を乗じて得られる。抽出する光周波数がω１とω２である場合の遅延τｂは、数式（４）で表される。
【００４３】
【数４】
2016029340.tif 000006
【００４４】
数式（２）と数式（４）で示される遅延が互いに相殺する条件τａ＝τｂで光学系を配置すれば、入射角度変更手段１１以外に別途パルス光の遅延を調節する部品を可動させる必要は無く、パッシブな光学系によってパルス光の遅延を相殺する。具体的には、次の数式（５）を満たせばよい。
【００４５】
【数５】
2016029340.tif 000007
【００４６】
ただし、数式（５）では、ω１＜ω２、Ｌ１  ＞  Ｌ２、α＞０を仮定した。
【００４７】
また、図２の光学系は一例として示した場合であって、反射型回折格子やガルバノミラーとは異なる種類の光分散素子や、入射角度変更手段を用いた場合でも可能である。それらの場合については実施例で述べる。
【００４８】
図２での入射角度変更手段１１の角度によって生じる遅延（光学距離の変化によって生じる遅延）は近似として分散光学ユニット１００内の光学距離ｌ１およびｌ２について示されたものである。数式（５）で表される遅延の相殺を最適に行うためには、パルスレーザ１から試料３３までの光学距離を透過するのにかかる時間の変化分で計算する必要がある。つまり、第１の状態におけるパルスレーザ１から試料３３までの光学距離をＬ１、第２の状態におけるパルスレーザ１から試料３３までの光学距離をＬ２として上述した計算を行う必要がある。この理由は、Ｄ字型ミラー１３の反射面の近傍をミラー８からのパルス光４は通り抜けるが、ミラー９からのパルス光４は反射される様に往路と復路の光路をわずかにずらすためである。このずらしのため、現実的には入射角度変更手段１１での反射において１回目と２回目のパルス光の入射位置は、必ずしも一致しないからである。
【００４９】
図３は本発明によってパルス光の遅延を相殺する様子を示す模式図であり、ポンプ光とストークス光の時間（ｔ）および光周波数（ω）における分布を示している。ポンプ光は時間ｔ１からｔ２の間に分布しており、チャープしている。破線で示される領域はパルス光４の抽出前の分布であり、図３ではＳｔｏｋｅｓ１，Ｓｔｏｋｅｓ２と示されている。Ｓｔｏｋｅｓ１のうち斜線で示される光周波数ωｓ１からωｓ３の範囲で分布している部分を抽出する。本発明では、入射角度変更手段１１が光分散素子１２への入射角度を第１の状態から第２の状態に変化させることで、光抽出手段１５が抽出する光周波数帯域を変化させ、後述するチャープ付与手段１９が付与する時間遅延を変化させている。また、第１の状態および第２の状態において、入射角度変更手段１１は、パルスレーザ１から試料３３までの光学距離を後述するチャープ付与手段１９が付与する時間遅延の変化量に応じて変化させている。入射角度変更手段１１の角度を変更し、抽出前のパルス光４の分布が図３のＳｔｏｋｅｓ２と示される状態になると、光学距離の変化によって、Ｓｔｏｋｅｓ２はＳｔｏｋｅｓ１に対して時間ｔ方向にずれる。しかし、入射角度変更手段１１の角度を変更したことによって抽出される光周波数がωｓ３からωｓ２の範囲になる様に変更されているため、依然抽出後のパルス光４の分布は斜線で示される時間ｔ１からｔ２の間に収まっており、遅延が相殺されている。例えば、入射角度変更手段１１は、第１の状態から第２の状態に変化する際に後述するチャープ付与手段１９が付与する時間遅延の変化量が正である場合、パルスレーザ１から試料３３までの光学距離を短くするように入射角度を調整している。換言すれば、第１の状態においてパルスレーザ１から試料３３までの光学距離をパルス光４が通過するのにかかる時間を第１の時間とし、第２の状態におけるパルスレーザ１から試料３３までの光学距離をパルス光４が通過するのにかかる時間を第２の時間とする。このとき、第１の時間に対する第２の時間との差が負となるように入射角度を調整している。
【００５０】
図１の１６はレンズであり、レンズ１６の焦点がスリット１５の位置になる様に配置し、スリット１５を透過したパルス光４を平行光線にする。１７，１８はパルス光４を導くミラーである。１９はパルス光４のチャープを調整するチャープ付与手段であり、本実施形態では硝子ブロックである。チャープ付与手段１９は、図３に示すように、パルス光４（ストークス光）に対し光周波数に応じた時間遅延を与える。
【００５１】
２０、２１はパルス光４を導くミラーである。２２はポンプ光とストークス光を同軸に合波する光合波手段であり、本実施形態ではダイクロイックミラーである。
【００５２】
２８はパルス光の反射角度を２軸方向に変化させるスキャナであり、本実施形態では２個のガルバノミラーで構成される。光合波手段２２によって合波された光は、スキャナ２８で反射し、レンズ２９、レンズ３０を透過した後ミラー３１によって対物レンズ３２へと導かれ、試料３３へ照射される。本実施例では、光合波手段２２、スキャナ２８、レンズ２９，３０、ミラー３１、対物レンズ３２によって、ストークス光（第１の光）とポンプ光（第２の光）を合成して試料３３に照射する照射光学系が構成される。
【００５３】
試料３３を透過したパルス光は対物レンズ３４によって平行光線となり、光学フィルタ３５へと導かれる。
【００５４】
光学フィルタ３５を透過したパルス光４はレンズ３６によって集光され、その焦点に置かれた光検出器３７へ導かれる。光検出器３７（検出手段）は、ストークス光（第１の光）とポンプ光（第２の光）が試料３３に照射されることで生じた誘導ラマン散乱を検出する。３８はプリアンプであり、光検出器３７の電気信号を処理する。３９はロックインアンプであり、プリアンプ３８を通った電気信号からＳＲＳによる信号を取り出す。
【００５５】
４０は計算機であり、ロックインアンプ３９によって取り出された信号の強度を記録する。このＳＲＳの強度をスキャナ２８の角度に応じて並べて表示し、ＳＲＳ強度の画像を得る。
【００５６】
２３は第２のパルス光８０を分波するビームスプリッタであり、パルス光２４とパルス光２５に分ける。パルス光２４は試料に照射するため、パルス光２５はストークス光との同期をとるために用いる。２６はパルス光２４のチャープを調整するチャープ付与手段であり、本実施形態では硝子ブロックである。チャープ付与手段２６は、図３に示すように、パルス光２４（ポンプ光）に対し光周波数に応じた時間遅延を与える。２７はパルス光２４を導くミラーであり、光合波手段２２を用いてパルス光４と合波する。
【００５７】
ビームスプリッタ３により分けられたパルス光５は、ミラー４１によって導かれ、ダイクロイックミラー４２でパルス光２５と合波される。４３は偏光板であり、パルス光５とパルス光２５の偏光をそろえる。４４はレンズであり、その焦点に光検出器４５を置く。光検出器４５ではパルス光５とパルス光２５の両方の光スポットが重ねて照射されており、この光検出器４５はパルスレーザ１とパルスレーザ２のパルス光のタイミングの遅延に応じて電気信号を出力する。
【００５８】
光検出器４５にパルス光５とパルス光２５が同時に照射されると、パルス光５に含まれるフォトンと、パルス光２５に含まれるフォトンとによって二光子吸収が生じる。パルス光５とパルス光２５の偏光は偏光板４３によってそろえられており、この二光子吸収は効率よく生じる。
【００５９】
ＳＲＳが効率よく生じるために、パルス光５とパルス光２５の繰り返し周波数の比率は１：２に調整された状態を維持する必要がある。この状態では、両パルス光の光検出器４５への到達タイミングを一致させることができ、その場合、光検出器４５の電気信号が二光子吸収によって増加する。４６はフィードバック回路であり、光検出器４５の出力の電気信号をフィードバック回路４６の入力として用いる。４７はパルスレーザ１内に設置した共振器長調整手段であり、フィードバック回路４６の出力に応じて駆動する。共振器長調整手段４７は本実施形態ではピエゾアクチュエータであり、共振器長を変化させることによって、パルスレーザ１の繰り返し周波数を調整できる。光検出器４５の出力の電気信号の増減をフィードバック回路４６と共振器長調整手段４７で一定に維持する事によって、ＳＲＳが効率よく生じる様に、パルス光５とパルス光２５の繰り返し周波数の比率は１：２に調整された状態を維持する事ができる。
【００６０】
以上の構成によって、ＳＲＳを計測する顕微鏡（計測装置）を構築・使用する事が可能である。
【００６１】
本実施形態のチャープ付与手段１９では、硝子の群速度分散によって、硝子ブロックを透過したパルス光４の光周波数ごとに異なる時間遅延を与えることができるため、硝子ブロックを透過させることによってチャープを付与できる。また硝子ブロックの透過距離を調整する事によってチャープの調整が可能である。チャープ付与手段２６についても同様である。なお、ストークス光（パルス光４）およびポンプ光（パルス光２４）の光周波数変化に対する時間変化の割合で定義されるチャープ率αは互いに等しい。ここで、等しいとは、完全に等しい場合と、許容誤差の範囲内で完全に等しい場合からずれている場合とを含む意味である。
【００６２】
チャープ付与手段１９はパルス光４のチャープを調整する事が可能であれば、必ずしもミラー１８の下流である必要性は無く、パルス光４の光路上のどの位置にあっても良い。
【００６３】
レンズ２９とレンズ３０によって、スキャナ２８と対物レンズ３２の入射瞳は共役となる様に配置されており、スキャナ２８によってパルス光の反射角度が変わっても遮光によって光量が変化することなく試料３３へ照射できる。対物レンズ３２の入射瞳サイズと入射するパルス光のビームサイズが等しくなるようにレンズ２９とレンズ３０の焦点距離は調整されており、試料３３に照射するパルス光のスポットサイズを最小にできる。スキャナ２８の角度を変えることによって試料上でのパルス光の照射位置を動かす事が可能であり、異なるスポット位置毎にＳＲＳを計測することができる。
【００６４】
光学フィルタ３５は試料３３を透過したパルス光のうち、ポンプ光であるパルス光２４のみを透過させ、ストークス光であるパルス光４を取り除く。また、光学フィルタ３５は、ＣＡＲＳ等のＳＲＳ以外の非線形光学現象によって発生する光も取り除く。
【００６５】
前述の通り、本実施形態ではポンプ光は、ＳＲＳによってストークス光の繰り返し周波数である４０ＭＨｚで強度変調される。この強度変調成分がＳＲＳ強度に他ならない。このため、光検出器３７によって得た電気信号はプリアンプ３８を通った後、ロックインアンプ３９で４０ＭＨｚが取り出され、計算機４０で画像化などの処理がなされる。
【実施例１】
【００６６】
本発明を適用したＳＲＳ顕微鏡を再び図１と図２を用いて説明する。パルスレーザ１はストークス光光源、パルスレーザ２はポンプ光光源である。パルスレーザ２としてＳｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社のＭａｉＴａｉを利用する。
【００６７】
パルスレーザ２から放射されるパルス光８０の中心波長は７８９ナノメートル、波長幅は１０ナノメートルである。パルスレーザ１としてイッテルビウムドープドファイバレーザを利用する。パルスレーザ１から放射されるパルス光７０の中心波長は１０３０ナノメートル、波長幅は３０ナノメートルである。このように、パルス光７０（ストークス光、第１の光）の波長幅は、パルス光８０（ポンプ光、第２の光）の波長幅よりも大きい。
【００６８】
パルスレーザ１およびパルスレーザ２のチャープ率αを１．６５＊１０５  ［ｆｓ２］となる様に調整する。その場合、ポンプ光の時間幅は５．５ピコ秒となる。
【００６９】
光分散素子１２として近赤外光対応の格子密度１２００［１／ｍｍ］のブレーズド反射型回折格子を使用し、リトロー配置で設置する。入射角度変更手段１１としてガルバノミラーを使用し、パルス光４の光分散素子１２への入射角度を調整する。リトロー配置の反射型回折格子で分光すると、波長λに対して光周波数ωはλ＝２πｃ／ωと書けるため、数式（６）の関係が成り立つ。
【００７０】
【数６】
2016029340.tif 000008
【００７１】
ここでＮは格子密度、Θは反射型回折格子への入射角度である。
【００７２】
波長１０４５ナノメートルの光に対して、光分散素子１２への入射角度Θ１は３８．８度であり、図２の光分散素子１２の位置Ｂ１で反射しているとする。波長１０１５ナノメートルの光に対して、光分散素子１２への入射角度Θ２は３７．５度となり図２の位置Ｂ２で反射しているとする。
【００７３】
点ＡからＢ１の距離ｌ１と点ＡからＢ２の距離ｌ２は、それぞれ数式（７）、（８）の関係を満たす。ｄは、光分散素子１２が配置される面の法線方向において、入射角度変更手段１１の点Ａから光分散素子１２までの距離である。
【００７４】
【数７】
2016029340.tif 000009
【００７５】
【数８】
2016029340.tif 000010
【００７６】
Ｂ１を経由する経路とＢ２を経由する経路での光学距離の差ΔＬ＝Ｌ２−Ｌ１は往復を考慮して数式（９）で表せる。
【００７７】
【数９】
2016029340.tif 000011
【００７８】
これは式（７），（８）より数式（１０）で表せる。
【００７９】
【数１０】
2016029340.tif 000012
【００８０】
したがって、数式（５）は、本実施例において、
（ω２−ω１）α  ＝  ２ｄ（１／ｃｏｓΘ１−１／ｃｏｓΘ２）／ｃ
で表せる。
【００８１】
このとき、数式（６）は、
２πｃＮ／ωｉ  ＝  ２ｓｉｎΘｉ，（ｉ＝１，２）
で表せる。
【００８２】
パルスレーザ１のパルス光４を１０４５ナノメートルの波長λ１で抽出した場合と、１０１５ナノメートルの波長λ２で抽出した場合、それぞれ光周波数ω１＝１．８０４＊１０１５［ラジアン／秒］，ω２＝１．８５７＊１０１５［ラジアン／秒］に相当する。したがって、その際の遅延τｂは、式（４）より８．７５ピコ秒になる。この遅延を相殺するには、数式（５）の左辺が８．７５ピコ秒、右辺は式（１０）を光速ｃで割ったものと等しくすればよい。そのため、数式（１１）より距離ｄが求まり、光分散素子１２を入射角度変更手段１１の点Ａから距離ｄが５７．３ミリメートルとなる様に配置すればよい。
【００８３】
【数１１】
2016029340.tif 000013
【００８４】
本実施例では、光抽出手段１５としてスリットを用いている。入射角度変更手段１１の角度を変えることで光抽出手段１５によって抽出されるストークス光の光周波数を変化させても、ポンプ光と時間的に同期した状態を維持する事ができる。
【００８５】
本実施例によれば、非特許文献１に記載されるような可変の遅延ステージを必要とせず、また遅延ステージを光周波数掃引のための可変光減衰器と連動して動かす必要もない。本実施例によれば、上述した構成を採用することで、ラマンスペクトルのスペクトル分解能が良く、また測定が高速かつ安定に動作し、部品点数が少なく、必ずしもパルス光の抽出を狭帯域に限定しない設計が可能である。したがって、広帯域かつ高分解能のラマンスペクトル計測を高速に実施可能な低コストの非線形ラマン散乱顕微鏡を提供することができる。
【００８６】
ストークス光を波長幅１０ナノメートルで抽出した場合、ストークス光の抽出後の時間幅は３ピコ秒程度となる。ソリトンモードロックしたパルス光の一般的な波形の関数であるＳｅｃｈ２分布を仮定した場合、この時間幅ではラマンスペクトルにおいて４ｃｍ−１程度のスペクトル分解能を得ることができ、この値は固体の分光を行うのには十分である。
【００８７】
入射角度変更手段１１の角度を変えることによって、点Ｂ１から点Ｂ２まで８．５ミリメートル程度の距離を反射位置が走査する。この走査範囲は、一般的な１インチ角の反射型回折格子の大きさに収まる。
【実施例２】
【００８８】
本発明の実施例２にかかるＳＲＳ顕微鏡を図１と図４を用いて説明する。本実施例のＳＲＳ顕微鏡の構成は第１の実施例と同様であるが、図１の分散光学ユニット１００のみ異なり、代わりに図４の分散光学ユニット２００を使う。図１において分散光学ユニット１００に入射したパルス光４は図４の分散光学ユニット２００に入射する。
【００８９】
２０２はパルス光４の入射角度を変更（調整）する入射角度変更手段であり、本実施例ではステッピングモータである。２０１は入射角度変更手段を駆動するドライバである。２０３はパルス光４を分散させる光分散素子であり、本実施例では反射型回折格子である。光分散素子２０３の刻線方向は紙面に平行である。ドライバ２０１で入射角度変更手段２０２を駆動する事によって、光分散素子２０３へ入射する角度が調整され、その結果光分散素子２０３から分散されながら反射するパルス光４の角度を調整する事が可能になる。パルス光４は分散光学ユニット２００に入射して、光分散素子２０３の位置Ａで反射する。このときパルス光４の入射角度はΘである。光分散素子２０３はリトロー配置になっている。
【００９０】
図４では入射角度変更手段２０２の回転中心（入射角度変更手段２０２に固定される光分散素子２０３の回転中心）が原点Ｏにあり、原点Ｏを中心としてＸ軸とＹ軸を取り、Ｘ軸に平行にパルス光４が導かれている。パルス光４がＹ軸を横切る位置をＯ’とし、距離ＯＯ’をｄ’とする。換言すれば、距離ｄ’は、パルス光４が光分散素子２０３に入射する方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）において、パルス光４から入射角度変更手段２０２（によって回転する反射型回折格子）の回転中心（原点Ｏ）までの距離を指す。
【００９１】
実施例１と同様に、光分散素子２０３で分散した光をリトロー配置で反射させ、図１の光抽出手段１５で抽出する。光抽出手段１５は本実施例でもスリットである。入射角度変更手段２０２と光分散素子２０３を平行に固定しているため、光分散素子２０３がＹ軸となす角度はパルス光４の入射角度と等しくΘである。
【００９２】
点Ｏ’と点Ａとの距離をｌとする。このとき、数式（１２）の関係となる。
【００９３】
【数１２】
2016029340.tif 000014
【００９４】
実施例１では図２の光分散素子１２の位置を固定して、光分散素子１２へ入射する角度を変化させていたが、実施例２では図４の光分散素子２０３の位置と回転向きが変化することにより、入射角度Θが変化するとともに、距離ｌも変化する。実施例１と同じ光源を用い、実施例１と同じ入射角度Θ１、Θ２の場合の光学距離ｌの差は数式（１２）を用いて、数式（１３）で表せる。
【００９５】
【数１３】
2016029340.tif 000015
【００９６】
この光学距離の差によって生じるパルス光のタイミングの変化分は、光速で割ることによって求まり、数式（１４）で表せる。
【００９７】
【数１４】
2016029340.tif 000016
【００９８】
したがって、数式（５）は、本実施例において、
（ω２−ω１）α  ＝  ２ｄ’（ｔａｎΘ１−ｔａｎΘ２）／ｃ  
で表せる。
【００９９】
このとき、数式（６）は、
２πｃＮ／ωｉ  ＝  ２  ｓｉｎΘｉ，（ｉ＝１，２）
で表せる。
【０１００】
実施例１と同様のチャープ率α、格子密度Ｎを用いるとする。この際チャープによって生じるパルス光のタイミングの変化分も等しく８．７５ピコ秒であり、それが式（１４）と等しいとして式を解けば、ストークス光を抽出しても、ポンプ光と時間的に同期した状態を維持する事ができる。これはｄ’として３５．４ミリメートルの位置に設置することによって達成される。
【０１０１】
本実施例によれば、非特許文献１に記載されるような可変の遅延ステージを必要とせず、また遅延ステージを光周波数掃引のための可変光減衰器と連動して動かす必要もない。本実施例によれば、上述した構成を採用することで、ラマンスペクトルのスペクトル分解能が良く、また測定が高速かつ安定に動作し、部品点数が少なく、必ずしもパルス光の抽出を狭帯域に限定しない設計が可能である。したがって、広帯域かつ高分解能のラマンスペクトル計測を高速に実施可能な低コストの非線形ラマン散乱顕微鏡を提供することができる。
【０１０２】
また、この実施例２を用いた場合は、実施例１と比べてミラーの部品点数が少なくなる。
【実施例３】
【０１０３】
本発明の実施例３にかかるＳＲＳ顕微鏡を図１と図５を用いて説明する。本実施例のＳＲＳ顕微鏡の構成は実施例１と同様であるが、図１の分散光学ユニット１００のみ異なり、代わりに図５の分散光学ユニット３００を使う。図１において分散光学ユニット１００に入射したパルス光４は図５の分散光学ユニット３００に入射する。
【０１０４】
３０２はパルス光４の入射角度を変更（調整）する入射角度変更手段であり、本実施例ではガルバノミラーである。３０１は入射角度変更手段３０２を駆動するドライバである。３０３はパルス光４を分散させる光分散素子であり、本実施例では透過型回折格子である。３０４はミラー（反射部材）であり、光分散素子３０３を透過してきたパルス光４を正反射させる。図５では光分散素子３０３を配置する面と平行な方向にＹ軸を取っている。
【０１０５】
分散光学ユニット３００に入射したパルス光は、入射角度変更手段３０２によって位置Ａで反射する。入射角度変更手段３０２の角度によって光分散素子３０３へ入射する位置は異なり、図５では例として位置Ｂ１とＢ２を示す。位置Ｂ１，Ｂ２からＹ軸と直交するようにＸ，Ｘ’軸を取る。距離Ｂ１Ｂ２をｄ”とする。すなわち、ｄ”は、パルス光４が光分散素子３０３の位置Ｂ１に入射している第１の状態、および、位置Ｂ２に入射している第２の状態における、透過型回折格子に入射する入射位置Ｂ１，Ｂ２の間の距離である。また、第１の状態におけるパルス光４の透過型回折格子への入射角度をΘ１、第２の状態におけるパルス光４の透過型回折格子への入射角度をΘ２、第１の状態と第２の状態における透過型回折格子から出射する出射角度をΘｔとする。また、第１の状態における入射角度変更手段３０２から透過型回折格子への光学距離をｌ１、第２の状態における入射角度変更手段３０２から透過型回折格子への光学距離をｌ２、とする。
【０１０６】
図５では、距離ＡＢ１，ＡＢ２がそれぞれｌ１，ｌ２であり、それぞれ光分散素子３０３へ角度Θ１，Θ２でパルス光４が入射した後、両方とも角度Θｔで透過し、ミラー３０４上の位置Ｃ１，Ｃ２で正反射する。経路ＡＢ１Ｃ１を通る光の光周波数はω１であり、経路ＡＢ２Ｃ２では光周波数ω２である。どの経路も再度入射角度変更手段３０２の位置Ａで反射し、図１の光抽出手段１５で抽出される。光抽出手段１５は本実施例でもスリットである。
【０１０７】
実施例１と同じ光源を用い、チャープ率も同じ値を用いる。透過型回折格子として近赤外光対応の格子密度６００［１／ｍｍ］の物を使用すると、二つの経路に関して数式（１５），（１６）で表せる透過型回折格子の式が成り立つ。
【０１０８】
【数１５】
2016029340.tif 000017
【０１０９】
【数１６】
2016029340.tif 000018
【０１１０】
ここでλ１＝２πｃ／ω１，λ２＝２πｃ／ω２で定義され、実施例１と同じくλ１は１０４５ナノメートル、λ２は１０１５ナノメートルである。
【０１１１】
また、光学系の配置より、数式（１７），（１８）が成り立つ。
【０１１２】
【数１７】
2016029340.tif 000019
【０１１３】
【数１８】
2016029340.tif 000020
【０１１４】
したがって、数式（５）は、本実施例において、
（ω２−ω１）α  ＝  ２（ｌ２  ＋ｄ”ｓｉｎΘｔ  −ｌ１  ）／ｃ  
で表せる。
【０１１５】
このとき、数式（３）は、
ｓｉｎΘｉ  ＋  ｓｉｎΘｔ  ＝  ２πｃＮ／ωｉ，（ｉ＝１，２）
で表せる。
【０１１６】
さらに、光学距離の差によって生じる遅延が実施例１と同様に８．９ピコ秒と等しいという数式（１９）が求まる。
【０１１７】
【数１９】
2016029340.tif 000021
【０１１８】
本実施例の場合はΘ１，Θ２，Θｔ，ｌ１，ｌ２，ｄ”の６変数に対して、拘束条件となる数式は（１４）から（１８）の５つしかない。このため、上記の６変数のうち一つを任意に決めることができる。ここでは、Θ１＝０と置いた。この際、数式（１５）から（１９）を解くと、Θ２は約−１．０３度、ｌ１およびｌ２は約１２１ミリメートル、ｄ”は約２．０６ミリメートル、Θｔは約３８．８度で成り立つ。
【０１１９】
本実施例は、上記の６変数のうち一つを任意に決めることができるため、設計の自由度が高いという特徴がある。
【０１２０】
本実施例によれば、非特許文献１に記載されるような可変の遅延ステージを必要とせず、また遅延ステージを光周波数掃引のための可変光減衰器と連動して動かす必要もない。本実施例によれば、上述した構成を採用することで、ラマンスペクトルのスペクトル分解能が良く、また測定が高速かつ安定に動作し、部品点数が少なく、必ずしもパルス光の抽出を狭帯域に限定しない設計が可能である。したがって、広帯域かつ高分解能のラマンスペクトル計測を高速に実施可能な低コストの非線形ラマン散乱顕微鏡を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明は、ＣＡＲ顕微鏡やＳＲＳ顕微鏡などの非線形ラマン散乱顕微鏡に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２２】
１     パルスレーザ（第１の光生成手段）
２     パルスレーザ（第２の光生成手段）
１１   入射角度変更手段
１２   光分散素子
１５   光抽出手段
１９，２６    チャープ付与手段
２２，２８〜３２     照射光学系
【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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