(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーを通じて照明光程へ接続された短パルスレーザーと、特にサブピコ秒またはピコ秒領域内のパルス幅とをもつ顕微鏡であって、レーザーと光ファイバーとの間に、レーザーパルスを波長に依存して時間的に遅らせるための光学配列と、照明方向に見て顕微鏡方向に増大する断面積をもつ光ファイバーの終端に、少なくとも１つの分散素子を続けて配置することにより、顕微鏡へ接続される放射の平均電力を増大させるところの手段とからなる顕微鏡。
【請求項２】
前記分散素子がプリズムまたは格子である請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
光ファイバーに後置したAOM, AOD, AOTFのような少なくとも１基の音響光学変調器をもつ請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項４】
分散素子が顕微鏡ハウジング内で光ファイバー接続個所に配置されている請求項１から３のうちのいずれか１つに記載の顕微鏡。
【請求項５】
対象物をラスター形に把握するための手段をもつ請求項１から４のいずれか１つに記載の顕微鏡。
【請求項６】
少なくとも１つの走査方向へのスキャナーとして少なくとも１基の音響光学変調器をもつ請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザー走査顕微鏡。
【請求項７】
ファイバー断面積が、照明方向に見て顕微鏡に向かって増大する互いに差し込み可能なファイバーをもつ請求項１から５のうちの１つに記載の顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，光ファイバーを通じて照明光程へ接続された単パルスレーザーと、特にサブピコ秒またはピコ秒領域内のパルス幅とをもつ顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
短パルスは、パルス幅に応じて決まったスペクトル帯域幅を有する。
たとえば光ファイバーのガラスのような分散材質では、パルス幅は材質を通過する際に群速度分散(GVD)の影響によって変化する。これは個々のパルス周波数成分が時間とともに分割されるのに基づいて起こる。なぜならふつうの分散媒質（ガラス）では赤方偏移した周波数成分が青方偏倚した周波数成分より大きい群速度を有するからである。スペクトルはこのことに無関係である。
【０００３】
こうしたパルス幅の増大は、DE-GM 29609850にあるとおり適切なプレチャープユニット（たとえば回折格子またはプリズム、もしくは両者の組み合わせ）から成るものを介して補償することができる。
【０００４】
このため、パルスのスペクトル成分はプレチャープユニット内で時間的に配列され、青方偏移した周波数成分が赤方偏移した周波数成分より中心周波数に比較して先行させるようにる。続いて分散材質（たとえば光学グラスファイバー）へ結合すると、パルス周波数成分がこの同じ時間的分裂をするということが再びもち上がる。光学材質（グラスファイバー）の終端では、これによってパルスは再びその当初の形、すなわちレーザーから出てきたときの形に見えるようになる。
しかしこれらの線型効果に加えて、光学材質中には非線型の、すなわちレーザー光線の強度に依存する効果も現れる。これらの効果（SPM,XPM等)は、スペクトル幅もしくはパルス輪郭へ影響を及ぼす。
これらは多くの場合、プレチャープユニット内で到達し得る最小のパルス幅を減少させる。この効果は短パルスレーザー結合の場合望ましくない。
【０００５】
基本的にはこれらは、レーザー光線強度を制限することによって臨界値(Ikrit)以下へと下げ回避できる。短パルスレーザーでは、強度(I)はパルス幅(τ), 繰り返し率(f), 平均電力(Pavg), ビーム断面積(A)によって次の方程式で決定される。
Ｉ=ＰAvg ／（τ・?・Ａ）＜ＩKrit
モード保存、偏光保存のグラスファイバー内では、断面は結合すべきレーザー放射の波長と、使用しているレーザーシステムによる繰り返し率によって定まる。
【０００６】
あらかじめプレチャープユニットによって送り込まれたパルスがグラスファイバーを通過する際に変化する状況は図２の上図に示されている。ファイバーの終端でパルス幅が最小となることがわかる。平均電力が変化しなければ、したがって強度はファイバー終端まで増加するわけである。
【０００７】
同時に非線型効果(SPM)の影響もファイバー終端で増加する。これは図２の下図にスペクトル幅の変化によって見ることができる。
グラスファイバー出口でパルス幅があらかじめ与えられているとき、それゆえ顕微鏡へと結合される平均電力は非線型効果によって制限されるわけである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、非線型効果がパルス輪郭へ及ぼす影響を最小にするという課題をもつ。この課題は独立請求がもつ特徴によって解決される。よりよい構築をするのは従属請求の対象となっている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に従えば、非線型効果を避けるためにファイバー終端で強度を小さくする。これはたとえば断面積Ａを大きくする（前記方程式を参照）ことによって行うのが有利である。この大きくする仕方は、パルス幅が臨界値に、したがって強度が臨界値に達する点で行わなければならない。それゆえ、パルスをさらに圧縮するのは非線型効果が避けられるよう、より大きい断面積の領域とする。この際言えることは、分散がより大きい断面積の領域で大きければ大きいほど、接続可能な平均電力は大きい。
【００１０】
断面積の直径がファイバー終端で増加しているファイバーを図４に示す。断面積が増加しているファイバーの代わりに、２つかいくつかのファイバーをうまく互いに差し込み可能にして使用し、個々のファイバーの断面積が照明方向に増加するようにもできる。特に有利なのは、強く分散させる素子をレーザー走査顕微鏡内へ組み込むことである。
こうした強く分散させる素子は、たとえば各種のプリズムもしくは格子圧縮器である。さらに、特別なガラス材質または結晶（たとえばTeO2）で音響光学装置に組み込まれるようなものが適合している。図には音響光学変調器を使用した配列を示す。
【００１１】
こうした音響光学装置(AOM, AOD, AOTF)を使用すると、非線型効果を避けられ（すなわち与えられたパルス幅で接続できる平均電力となる）、また同時にそれらがレーザー走査顕微鏡に示す次の長所をすべて利用できる。
レーザー光線の走査
連続的な減衰
ms領域の速いスイッチ開閉
位相の遅延
特にAOMとして使用するときには、分散を大きくするためにこの結晶を何回も通過させることができる。これは特に０次の使用および対応する１次の反射のときたやすく起こり、図に示したとおりである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明とその長所を以下図示に基づきより詳しく説明する。
図１には短パルスレーザーKPLがプレチャープユニットPEと光ファイバーとを通じて顕微鏡へ結合されている状況を図示した。この顕微鏡は図８に示したとおりすぐれもので、レーザー走査型顕微鏡(LSM)である。
図２はパルス幅とスペクトル幅のファイバー長さに沿った経過を示す。図３は可能な最小パルス幅が平均電力に依存してどう変わるかを示す。
【００１３】
図４は終端に向かって照明方向に断面積が増加する光ファイバーを示す。
図５は顕微鏡内のファイバー終端に音響光学変調器AOMを配列したところを示す。
図６には、（図示していない）ファイバー終端からAOMへ進入する光線と、回折して出てくる０次と１次の光線とを示した。
AOMは図７ａのように０次でうまく動作し、１次は光程（示していない）から反射して出てくる様子を示している。分散と平均電力とが大きくなるためには、０次がAOM内を何回も通過するのが望ましく、これはたとえばAOMの後ろで０次を何回も反射させるために鏡を追加配列することによって、図７ｂに示したように実現できる。
【００１４】
図８には顕微鏡ユニットＭと走査中枢Ｓとを示していて、これらは中間写像を通じて共通の光学インターフェースを有し、LSMを形成する。
走査中枢Sは直立顕微鏡の光電管にも、倒立顕微鏡の側方出力部にも取り付けることができる。照明スキャンと透視スキャンの間で回転鏡１４を介して切り替え可能な顕微鏡光程を示した。
【００１５】
また、光源１，照明レンズ系２，ビームスプリッター３，対物レンズ４，試料５，  集光器６，光源７，受信機の配置８，第１の円筒レンズ９，第２の円筒レンズ１０と接眼レンズ１１をもつ１つの観測光程，  走査光線を接続するためのビームスプリッター１２を示した。レーザーモジュール１３.１，１３.２がレーザーを収容し，単モード光ファイバー１４.１，１４.２を通じて走査中枢Ｓのレーザー接続ユニットと結合している。
【００１６】
光ファイバー１４.１，１４.２の接続は押して動かす視準レンズ系１６を介して行い、さらに奥へ入ってゆくと光線偏向素子１７.１，１７.２がある。部分透過鏡１８を介して監視光程がモニターダイオード１９の方向へフェードアウトし，ここには、ここに示さない回転可能なフィルター輪の上に線型フィルター２１と中性フィルター２０とをあらかじめ配置しておくのが有利である。
【００１７】
本来の走査ユニットは走査対物レンズ２２，スキャナー２３，主ビームスプリッター２４，検出チャンネル２６.１〜２６.４用共通写像レンズ系２５から成る。
写像レンズ系２５の後ろにある偏向プリズム２７が、収束する写像レンズ系２５光程内にあるダイクロイックビームスプリッター２８の方向へ対象物５から来る放射を反射させる。これらの方向に、光軸に垂直に調節可能な，各検出チャンネル個別の、直径が可変のピンホール２９，放出フィルター３０，適合した受光素子３１(PMT)が後置されている。
【００１８】
短パルスレーザーKPLの放射の接続がグラスファイバー１４.１、 とりわけ単モードグラスファイバーへ行われる。DE ? 29609850にあるとおり、レーザーと光ファイバーとの間にはプレチャープユニットPEが配列されている。
走査モジュールの入力部には、すでに述べた音響光学変調器AOMが配備されている。レーザー放射を接続するための接続レンズ系３３は、接続のために図示していないレンズ系を有している。これの焦点距離はレーザー光線断面と最適接続に要する開口数とによって決まっている。
【００１９】
レーザーモジュール１３.２内には個別波長レーザーと多波長レーザーとが配備され、個別または共通にAOTFを通じて１本または数本のファイバーへ接続されている。種々のレーザー放射をファイバー入力部で混合することも可能であり、図に示した交換可能、接続可能な分割鏡39に基づいて行うことができる。
【００２０】
図２と図３とで発散を示しているファイバー１４.１, ２のファイバー終端から走査ユニットＳに進出するレーザー放射は、視準レンズ系１６を介して無限光線へと視準される。これは個別のレンズで行うのが有利であり、このレンズは、中央駆動ユニット３４を通じて駆動可能な制御ユニット３７を介して、光軸に沿って押し動かすことによって焦点合わせの機能を有する。これは、レンズから光ファイバー１４.１，２の走査ユニット終端までの距離が、この発明に従えば変えることが可能であることによる。数本の接続ファイバーと種々の波長用の視準レンズ系によって、種々の独立な色補償を調整することができる。
【００２１】
モニターダイオード１９が、これも図示していないが、前置した焦点合わせレンズを有することができ、走査モジュールへ接続されたレーザー放射を恒常的に監視するため、制御ユニット３６が駆動した線型フィルター輪または領域選択フィルター輪、またはフィルタースライダー２１と組み合わされて動作する。これは特に、特定のレーザー線でする作業を個別に制御し、必要な場合にはAOTF ３２を通じて駆動ユニット３４の調整信号を介して安定化するためである。
【００２２】
これを有利に行うには，スキャナー２３自身をAOMまたはAODとして作っておくことができ、そのときには２基のAOMまたはAODを両走査方向用に同時作業させることができる。ここではスキャナーが同時にこの発明に従う分散素子であり、２つの素子を組み合わせることによって、図７ｂに示したようにな１基のAOMを何回も通過させることの代わりとなるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  短パルスレーザーKPL、プレチャープユニットPE、光ファイバーの配列
【図２】  パルス幅とスペクトル幅のファイバー長さに沿った経過グラフ
【図３】  最小パルス幅の平均電力との関係グラフ
【図４】  断面積が増加する光ファイバー
【図５】  音響光学変調器AOMへの挿入配列
【図６】  AOMへ進入する光線と、回折して出てくる０次と１次の光線
【図７】  AOMの動作し
【図８】  顕微鏡ユニットMと走査中枢S
【符号の説明】
１  光源
２  照明レンズ系
３  ビームスプリッター
４  対物レンズ
５  試料
６  集光器
７  光源
８  受信機の配置
９  第１の円筒レンズ
１０  第２の円筒レンズ
１１  接眼レンズ
１２  ビームスプリッター
１３  レーザーモジュール
１４  回転鏡
１４.１,２  光ファイバー
１６  視準レンズ系
１７  光線偏向素子
１８  部分透過鏡
１９  モニターダイオード
２１  線型フィルター
２０  中性フィルター
２１  フィルタースライダー
２２  走査対物レンズ
２３  スキャナー
２４  主ビームスプリッター
２５  写像レンズ系
２６  検出チャンネル
２７  偏向プリズム
２８  ダイクロイックビームスプリッター
２９  ピンホール
３０  放出フィルター
３１  受光素子(PMT)
３２  ＡＯＴＦ
３３  接続レンズ系
３４  駆動ユニット
３６,３７  制御ユニット
３９  分割鏡
Ｓ  走査中枢
【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】
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