(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
短パルスレーザを導入する少なくとも１つの光ファイバを備えた、短パルスレーザビームを顕微鏡の光路へ導入するための装置において、
レーザと光ファイバとの間に、波長に依存した方法でレーザパルスを時間的に変化させる光学的配列が備えられ、
光学的配列は、１つの回折格子と１つのレフレクター系と１つの鏡との組み合わせ、または、１つの回折格子と２つのレフレクター系との組み合わせによって構成され、入射されたレーザビームが４回同じ回折格子を通じて出力されるように各構成要素が配置された装置。
【請求項２】
出力されたビームは共焦点ビーム光路に導入され、ファイバ終端を通って対物レンズ上へ集光する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
顕微鏡がレーザ走査型顕微鏡である請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
出力されたビームは少なくとも１本の単一モードファイバに導入される請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
短パルスレーザを導入する少なくとも１つの光ファイバを備えた、短パルスレーザビームを顕微鏡の光路へ導入するための装置において、
レーザと光ファイバとの間に、波長に依存した方法でレーザパルスを時間的に変化させる光学的配列が備えられ、
光学的配列は、１つの回折格子と１つの再帰レフレクター系と１つの鏡との組み合わせ、または、１つの回折格子と２つの再帰レフレクター系との組み合わせによって構成され、入射されたレーザビームが４回同じ回折格子を通じて出力されるように各構成要素が配置され、１つの回折格子を回転させることによって所望のレーザ波長に調節することができる装置。
【請求項６】
短パルスレーザを導入する少なくとも１つの光ファイバを備えた、短パルスレーザビームを顕微鏡の光路へ導入するための装置において、
レーザと光ファイバとの間に、波長に依存した方法でレーザパルスを時間的に変化させる光学的配列が備えられ、
光学的配列は、１つの回折格子と１つのレフレクター系と１つの鏡との組み合わせによって構成され、入射されたレーザビームが４回同じ回折格子を通じて出力されるように各構成要素が配置され、回折格子とレフレクター系との間の距離を変化させることによって分散値が変化する、
または、光学的配列は、１つの回折格子と２つのレフレクター系との組み合わせによって構成され、入射されたレーザビームが４回同じ回折格子を通じて出力されるように各構成要素が配置され、回折格子とレフレクター系との間の距離を変化させることによって分散値が変化する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ走査型顕微鏡の光学的配列における短パルスレーザビームの結合に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が記述するのは、チャープ状態（スペクトル成分の時間的な順番）を短レーザパルスによって変更するためのコンパクトなユニットである。短パルスレーザの使用はUS 5034613の「二光子レーザ顕微鏡検査法」によって知られている。US5161053によってレーザ光源の光を光ファイバを通じて共焦点走査ビーム行程へ結合することが知られている。
【０００３】
通例は短パルスが分散媒質を通過する際、群速度分散(GVD: group velocitydispersion)の現象に基づいてパルス継続時間が変化する（一般に延長を生じる）。その上分散媒質中では、短パルスにつきものの高いパルスピーク電力とパルス強度に基づいて、非線型の光学現象（たとえば自己位相変調、ブリリユアン散乱、ラーマン散乱等のような）が実際に重要となり、これらが短パルスのスペクトル分布に影響を与える。
【０００４】
「生物学用共焦点顕微鏡検査法ハンドブック」447,448ページには、プリズム配列または格子配列によって光学ガラスのGVDを補償することが提案されている。とは言うものの、複雑な調整の問題やエネルギー損失が原因でこれが改善に役立つかどうかは疑問である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明の課題は改良された短パルスレーザの結合、たとえば二光子顕微鏡検査法の場合、顕微鏡ビーム行程へ特にレーザ走査型顕微鏡を結合することである。
この課題は請求項１の特徴によって解決する。さらに役立つように構築することは従属請求の対象となっている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は特に短パルスレーザ（ピコ秒からフェムト秒までのパルス幅の）をレーザ走査型顕微鏡へ光ファイバの助けをかりて結合することに関するものである。これによって短パルスレーザを励起源として使用することが、主として２光子顕微鏡検査法と時間位置解像の顕微鏡検査法に可能であり、その際これらの技術にファイバ結合の長所すべてが、たとえば光学構成の高い柔軟性、高いレーザビーム方向安定性、良いレーザビーム品質のようなものが、特に単一モードファイバシステムの結合によって役立つ。
【０００７】
本発明によってパルスは光ファイバ内へ入って行く前に、パルス形とパルス長が検査されるべき試料中の出力でのパルス形とパルス長に実際に一致するのに有利な仕方で準備される。こうすることによって短パルスを使用することと光ファイバを使用することの長所が結び合わされる。既存の分散媒質（光ファイバを含む）を通る短パルスのさまざまなスペクトル成分の所要時間の違いを防ぐため、光学系全体のGVDと高次の分散を補償できる光学装置が使用される。
【０００８】
本発明装置は短パルスのスペクトル成分のうち長周期のものに、これらの成分に作用する短くした光の行程を介して時間的な優位性を与えるものである。この装置を技術的に実現するには、実施例で説明するように、プリズム配列か格子配列、または両者の組み合わせか、反射素子との組み合わせを用いることができる。短パルスはその際、光ファイバの入り口の前に十分な大きさの負のGVDを印加されるので、ファイバと試料内の残りの光学系を通過した後、試料内で元来のパルス形を取り戻す。
【０００９】
適合した「プレチャーピング・ユニット」の働きによってパルスに印加された光ファイバ入り口の負のGVDは、短パルスを時間的に大きく広げるので、パルスピーク電力と強度が出口のところで非線型現象の臨界値以下となる。こうすることによって、短パルスが光ファイバを通過する際、たしかに時間的に形を変えるが、スペクトル分布に影響を与えないことが保証される。
“Laser-Spektroskopie”W. Demtoder著、Springer出版1991, 418ページ以下に、光学的パルス圧縮の項で述べられている「自己位相変調」はそれゆえ現れないという利点がある。
特に単一モード光ファイバを使用するとき、ファイバが空間フィルターとして作用するのに基づき、レーザ放射の空間的ビームプロファイルは試料中で励起レーザのレーザ出力での空間的ビームプロファイルに比べて改善することができる。
【００１０】
これは特に２光子顕微鏡検査法のような技術で有利であるが、それは励起ビームの集束性がよいことと、その結果としての２光子励起確率の高いこととが、きれいなレーザビームプロファイルをどうしても要求するからである。短パルスを伝達するために使用される同じ光ファイバによって、同時に他のレーザもレーザ走査型顕微鏡へ結合することができる。
【００１１】
これによって同じ対象点がいくつかのレーザによって同時に、または時間的に前後して照射されることができる。単一モード光ファイバかマルチモード光ファイバを、接続している回折で制限された集光と、励起レーザビームプロファイルを空間的にフィルターするための絞りを通して結合して、短パルスレーザと結合して使用すると、よりよい励起レーザビームの集光性が認められ、それによってより高い空間解像度もしくは２光子励起確率も認められる。ビーム方向安定性の改善が短パルスレーザと結合することによって達成される。このことによって特に、一般に複雑で強力な調整を要する短パルスレーザの最適化が、レーザ走査型顕微鏡の再調整を必要としないで可能となる。短パルスレーザを最適化した後は単に光ファイバの結合効率を最大にするだけであるが、顕微鏡内部のビーム行程は変わらない。
【００１２】
本発明に従うユニットは、特にコンパクトな構成法によって、単一な格子を使用することが際立った特徴である（この目的のため通例使用される２ないし４個の格子の代わりに）。これによってコンパクトな、それとともに特に安定な光学系の構成のほか、特にユニットの調整が単純になることが保証されている。
波長に適応させること、または分散を変更することが、この構成では有利にその都度単一の自由度を調整することによって実現される。
【００１３】
このユニットは模範的に、短レーザパルスのチャープにある仕方で変更を加えて、レーザパルスが有利に、たとえば分散光学系、模範的にいえばファイバ伝達系によって伝達できるようになり、レーザパルスがその際非可逆的にスペクトル分布を変更されることはない。これによって有利に短パルスを任意の場所に伝送することが自由にできるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を以下図示に基づいてより詳細に説明する。
図１では短パルスレーザ光源１があり、これはたとえばパルス幅約100fsのオーダーのチタン・サファイアレーザか、それともパルス幅psの領域のレーザでもよく、その光はここでは４個の格子2.1, 2.2, 2.3, 2.4から成る「プレチャーピング・ユニット」PU 2へ到達する。単一パルスIが模範的に示されている。最初の格子2.1での波長に依存する回折、その後、格子2.2での視準、またビーム径と平行性に関するビームの状況の格子2.3, 2.4による修復を通じ、青色光成分は赤色光成分より時間的にリードしている。このことにより時間的に広がったレーザパルスI’は結合素子３と単一モードファイバ４を通じて共焦点走査顕微鏡５のビーム行程へ達し、ここでは結合出口光学系5.1と付属のピンホール5.2, 部分透過鏡5.3, X/Y走査ユニット5.4,結像光学系5.5, 試料5.6, 結像光学系5.7, ピンホール5.8, 検出器5.9の図によって示されている。
【００１５】
図２には格子2.1-2.4の代わりにPU 2内に４個のプリズム6.1, 6.2,6.3, 6.4が配置されていて、格子2.1-2.4と同様のスペクトル分解とそれに続く視準とビーム統合の作用をする。ここに配置されている４個ずつの格子か４個ずつのプリズムの代わりに、ここに図示されていない２個ずつの格子だけか２個ずつのプリズムだけと1枚の鏡を選択することもでき、ここでは鏡で反射された後ビーム走路を逆行させ、それによって格子の組み合わせかプリズムの組み合わせを２倍に通過させるように作用する。数枚の鏡を使用することによって、さらにPU 2を数倍に通過させることもできる。
【００１６】
図３にはプリズム7.1-7.4から成るPU 7と格子8.1-8.4から成るPU 8の組み合わせによって得られる効果がさらに強められている。ここでは特に、光学的パルス圧縮の場合の記述（Laser-Spektroskopie”W. Demtoder著、Springer出版 1991, 418ページ以下）のように、高次の分散効果も均衡させることができる。
【００１７】
図１と図２に図示したように、一方では格子2.1, 2.4間の、他方では2.2, 2.3間の距離の増大、または一方ではプリズム6.1, 6.4間の、他方では6.2, 6.3間の距離の増大によって、つまり素子2.2; 2.3または6.2;6.3を、示した矢印の方向に沿って押し動かすことによって、スペクトル別の行程の差を設定して大きくできる、または距離を短くすることによって小さくできる。模範的なものとしてここに点線で格子またはプリズム2.2; 2.3; 6.2; 6.3の第２の位置を１つずつ示した。
【００１８】
こうしてパルス幅の調節ができるので、光ファイバによって惹き起こされた走行時間差が補償されるばかりでなく、その他の分散媒質を通じて惹き起こされる走行時間差も均衡することができ、特に共焦点顕微鏡のビーム行程、たとえば対物レンズ、特に開口数の大きなもの、走査対物レンズ、円筒レンズ、また他のガラス製光学素子のようなものである。格子かプリズムを図示した矢印の方向に沿って押し動かすのは、ここに示されていない、しかし専門的には普通に行われよく知られている取り扱い法、手動または電気的な操作法によって行われる。
【００１９】
本発明は図４から図９までにしたがって、入射する短パルスレーザビーム・イン、レーザパルスの分散のための手段ＰＵ、射出するレーザパルスビーム・アウトから成る。発明に従う構成の実施形態を図４から図６までにスケッチしてある。発明に従うユニットをプリズム４個配列の場合と比較したものが、図８と図９に示されている。図４から図６まで：入射短パルスレーザビーム・インは光学格子（Ｇ）上へ、ここでは反射格子上へ来る。格子の法線ｎは入射レーザビームの方向と角αをなす。フーリエ定理に従って入射レーザパルスに周波数空間内の決まったスペクトル分布が対応している。格子の分散作用によって入射レーザパルスは、図７に示した格子方程式に対応してスペクトル成分へと分解される。ブレーズド格子を使用するとここで１次の回折のみが現れる。
【００２０】
このように変更を加えた発散レーザビームは、２枚の互いに垂直に配列された鏡から成る水平に配列されたレフレクター系DK1、すなわち主として屋根型プリズムシステムを形づくる平面鏡の方向へ偏向され、この鏡系がレーザビームを格子と同じビーム高度に、すなわちある平面内で同一の方向（角a）で格子へ反射し返す。この種のレフレクターを使用することによって保証されるという長所としては、格子にレーザビームが２回の通過のたびに同一の入射角で当たることである。
【００２１】
この状況下でのみ、入射してくる、光軸のまわりに回転対称なレーザビームが格子を２回通過した後にもなお回転対称なビームプロファイルをもつことが保証される。このことを通じて、本発明に従った構成の作用の仕方について重要なのは、スペクトル経過の順番が再帰レフレクター系ＤＫ１で反射する際元に戻ることである（スペクトルが広げられたレーザビームを単純に反射しても同じ結果は得られない）。
【００２２】
格子は主としてブレーズド格子であるので、第１次のビーム偏向のみ利用ができる。レーザビームが格子を２回通過した後、レーザビームは平行なレーザ光束から成り、その波長はビーム断面を通じて連続的に「赤」から「青」まで変化する。この平行なレーザ光束は第２の、ＤＫ１に垂直に配列されたレフレクター系ＤＫ２に当たり、これも屋根型プリズムシステムで、光束を再び角ａで格子の方向へ、しかし格子Ｇに関してもっと深い位置にある平面内で反射する。このもっと深い位置にある平面上で次に２回格子Ｇを通過する上述のビーム行程が反復されるので、全部で４回レーザビームが格子Ｇを通過した後、入射ビーム・インはしかし今やユニットによって印加された負の分散を得て、本発明に従うユニットの出口にあるもっと深い平面内で、偏向鏡Ｍ１を通じて結合され、ビーム・アウトとして利用に供される。
【００２３】
このユニットはこれによって、図１に従って個々の格子４個から成る在来型プレチャープユニットのハイコンパクトな実施形態となっている（図８と図９に記入された赤と青の波長の比較を参照）。多格子配列のとき個々の格子を調整するのは、互いに合わせあわなければならぬ骨の折れる仕事であるが、他方本発明に従うただ１個の格子のみをもつユニットでは調整がまったくたやすい。こうしたことから本発明に従うユニットは４格子配列に比べてはっきりコンパクトであり、従って安定がよい。
【００２４】
ビーム・インとビーム・アウトの図１から図３までに示したレーザ光源１から光ファイバ４へのビーム行程に関する出入りの結合は、図１から図３までに対して変更を加えて、PUは図４から図６までに従ってレーザ光源１と入結合ユニット３の間に配列されるようにする。図１０には偏向鏡M1のみを示して、ある仕方の配列が図示されている。ビーム・インとビーム・アウトがここでは図１から図３までとは逆に互いに垂直である。
【００２５】
本発明に従うユニットPUの構成要素である１個の格子G1は、図４に模範的に示したように、入射ビームと格子表面の交点によって作られる、信号平面に垂直な回転中心ｄのまわりに、駆動ユニットS1を通じてまたは手動によって回転可能なように据えられている。格子が単独にこの軸（ビーム平面に垂直で上述の回転中心を通って伸びている軸）のまわりに角aだけ回転することによって、ユニットは格子方程式（図７）に対応してフーリエスペクトルのある決まった波長l0に対して最適となり、他の光学成分は動かす必要がない。
【００２６】
このことは入射するレーザの波長を変える際、レフレクターDK1とDK2に関してシステムを調整するために重要となってくる。格子を――格子効率を好適に選択した場合、この配列を波長に対して十分に敏感でないようにできるので、格子効率を選択して格子の作用度が波長領域の内部で変わらないようにすれば、この配列は問題なく二三百ナノメートルの広い波長範囲にわたって好適に使用できるようになる。回転中心ｄは、まわりを格子（G）が波長に同調して回転されなければならない点である。その際回転運動はS1の並進運動によって格子へ伝達される。
【００２７】
DK1とDK2は屋根型プリズム系という特徴をもつ。レーザビームは格子へ当たる前に、ここに示していないビーム広げ装置を介して適合するビーム径へと広げられる。これはレーザ強度を格子上で減少させる（格子表面が一般的に強いレーザ照射によって破壊するのを避けるため）。このことから本発明に従う構成で、レーザ照射の偏光が格子表面上で反射するごとに同一である（特に、偏光が格子の溝の方向に垂直のとき反射率が最も高い）ということが保証される。矢印は、構成全体の分散を連続的に変化させるため、再帰レフレクターDK1がS2を通じて押し動かされなければならない方向を示す。格子とDK1の間の距離を減少させると一般に、ユニットによってレーザビームへ印加される負の分散値が減少する。
【００２８】
再帰レフレクター系DK1と格子との距離を駆動ユニットを通じ、または手動で変えることによって、本発明に従うユニットの（一般に負の）分散は連続的に変更が加えられる。これによってユニットはたやすい方法で、すなわち１自由度を調整するだけで、レーザビームのチャープを光学系が要求するものへ適合させることを可能にする。レフレクターシステムDK2を鏡として作ると、DK1を動かしたときビームアウトの位置変化を伴って結合され、ファイバ入力結合の際相応の調整がなされなければならない。格子Gを回転中心ｄのまわりに回転する際には、ビームアウトの位置に関して調整の必要ない仕方の配列が利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】数個の格子を通じての結合
【図２】数個のプリズムを通じての結合
【図３】格子とプリズムを通じての結合
【図４】長所をもつプレチャーピングユニットPUのビーム走路の平面図
【図５】図４の方向Aから見た側面図
【図６】図５の方向Bから見た俯瞰図
【図７】格子方程式のグラフ表示、すなわち格子回折角βの、入射角α, レーザビームの波長λ, 格子周期d, 回折序数mへの従属関係図
【図８】図４に従う配列と、赤色波長Rと青色波長Bについて模範的に示したビーム走路図
【図９】図１に従う配列と、４個の格子G1-G4と波長RとB
【図１０】ユニットPUの図4から図6までに従うレーザ走査型顕微鏡への組み込み
【符号の説明】
１    パルスレーザ光源
２    格子
３    結合素子
４    モノモードファイバ
５    共焦点走査型顕微鏡
５.１    出口光学系
５.２    ピンホール
５.３    部分透過鏡
５.４    Ｘ/Ｙ走査ユニット
５.５    結像光学系
５.６    試料
５.７    結像光学系
５.８    ピンホール
５.９    検出器
６、７    プリズム
８    格子
Ｍ1    偏向鏡
Ｓ1    駆動ユニット
ＰＵ    プレチャーピングユニット
Ｇ1    格子
ＤＫ    レフレクター
【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】
0004336787.tif 000009
【図９】
0004336787.tif 000010
【図１０】
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