JP6598437B2 - 光パルス同期装置および顕微鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、２台のパルスレーザが出射する２つの光パルス（または光パルス列）においてパルスのタイミングを一致させる光パルス同期装置および顕微鏡システムに関する。

誘導ラマン散乱顕微鏡などの非線形光学過程を利用した非線形光学顕微鏡では、２つのパルスレーザが出射する光パルスを、パルスのタイミングを一致させた（またはタイミングの差を一定に保った）状態で試料に集光する必要がある。

特許文献１は、２光子吸収を検出する光検出器の出力をパルスタイミング差として検出し、検出値が設定値になるようにパルス周期を調整する誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）顕微鏡を提案している。特許文献２は、パルスタイミング差を検出する２つの光検出器の出力差に基づいてパルス周期を調整するコヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ：ｃｏｈｅｒｅｎｔａｎｔｉ−ＳｔｏｋｅｓＲａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）顕微鏡を提案している。

国際公開第２０１０／１４０６１４号パンフレット 特許第４８６２１６４号公報

特許文献１では、光強度や波長やパルス時間幅が変化すると、同等の光パルス同期のために光検出器の出力回路や光検出器の出力の設定値の変更が必要であるが、特許文献２では、そのような変更なしに光パルスの同期を実現することができる。しかし、特許文献２は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時間幅が同じになるように構成せねばならない。そうでないと、光パルス同期が実現できなかったり、波長が変わったときに２つのパルスレーザが出射する光パルスのパルスにタイミング差が生じたりする。さらに、光検出器の出力は集光する対物レンズと光検出器の受光面の配置に大きく依存するため、２つの光検出器で対物レンズと光検出器の配置を一致させなければならない。

本発明は、安定して動作することが可能な光パルス同期装置および顕微鏡システムを提供することを目的とする。

本発明は、第１の光パルスが第１の周期で生成され、第２の光パルスが第１の周期で生成されるように同期させる光パルス同期装置であって、前記第１の光パルスを分割して得た２つの光パルスの間に第１の遅延時間を与えて合波することで第３の光パルスを生成する第１の遅延合波手段と、前記第２の光パルスを分割して得た２つの光パルスの間に第２の遅延時間を与えて合波することで第４の光パルスを生成する第２の遅延合波手段と、前記第３の光パルスと前記第４の光パルスとを合波した光パルスを検出する光検出器と、前記光検出器の出力を同期検波することで前記第３の光パルスと前記第４の光パルスとのタイミング差の情報を取得する同期検波手段と、前記同期検波手段が取得した前記情報に基づいて、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスの少なくとも一方が生成される周期を調整する周期調整手段と、前記第１の遅延合波手段および前記第２の遅延合波手段の少なくとも一方において、分割して得た前記２つの光パルスの光強度が合波された後に一致するように、前記２つの光パルスの少なくとも一方の光強度を調整する光強度調整手段と、を有し、前記第１の光パルスのパルス時間幅をτ１、前記第２の光パルスのパルス時間幅をτ２、前記第１の遅延時間をＴ１、前記第２の遅延時間をＴ２、とするとき、０＜｜Ｔ１−Ｔ２｜≦（τ１＋τ２）を満足することを特徴とする。
また、他の一側面としての本発明は、第１の光パルスが第１の周期で生成され、第２の光パルスが前記第１の周期の２倍の周期で生成されるように同期させる光パルス同期装置であって、前記第２の光パルスを分割して得た２つの光パルスの間に遅延時間を与えて合波することで第３の光パルスを生成する遅延合波手段と、前記第１の光パルスと前記第３の光パルスとを合波した光パルスを検出する光検出器と、前記光検出器の出力を同期検波することで前記第１の光パルスと前記第３の光パルスとのタイミング差の情報を取得する同期検波手段と、前記同期検波手段が取得した前記情報に基づいて、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスの少なくとも一方が生成される周期を調整する周期調整手段と、前記遅延合波手段において、分割して得た前記２つの光パルスの光強度が合波された後に一致するように、前記２つの光パルスの少なくとも一方の光強度を調整する光強度調整手段と、を有し、前記第１の光パルスのパルス時間幅をτ１、前記第２の光パルスのパルス時間幅をτ３、前記第１の周期をＰ１、前記遅延時間をＴ３、とするとき、０＜｜Ｐ１−Ｔ３｜≦（τ１＋τ３）件を満足することを特徴とする。

本発明は、安定して動作することが可能な光パルス同期装置および顕微鏡システムを提供することができる。

本実施形態の光パルス同期装置の光路図である。 図１に示す光パルス同期装置における第３の光パルス、第４の光パルスおよびそれらによって生じる２光子吸収の強度の時間プロファイルである。 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１に示す光パルス同期装置の変形例のブロック図である。 （ａ）光パルス同期装置が図４の構成のときの、第１の光パルスの強度の時間プロファイルである。（ｃ）光パルス同期装置が図４の構成のときの、第３の光パルスの強度の時間プロファイルである。 図４に示す光パルス同期装置を利用したＳＲＳ顕微鏡の概念図である。（実施例１） （ａ）ＳＲＳ顕微鏡における、第１の光パルスの強度の時間プロファイルである。（ｂ）ＳＲＳ顕微鏡における、第２の光パルスの強度の時間プロファイルである。

図１は、本実施形態の光パルス（列）同期装置（以下、単に「同期装置」と称する）の光路図である。同期装置は、パルスレーザ（第１のパルスレーザ）１が出射する第１の光パルス２１とパルスレーザ（第１のパルスレーザとは異なる第２のパルスレーザ）２が出射する第２の光パルス２２を同期させる。即ち、同期装置は、第１の光パルス２１と第２の光パルス２２の射出のタイミング差を一致または一定に維持する。第１の光パルス２１の波長（λ１）と第２の光パルス２２の波長（λ２）は異なるものとする。

パルスレーザ２は、その共振器長を変更させることができ、第２の光パルス２２のパルス周期（第２の周期）を調整することができる。パルスのタイミングずれに応じて第２のパルス周期を調整し、第１の光パルス２１のパルス周期（第１の周期）に第２のパルス周期を一致させることで、パルスのタイミングを一致させる。この結果、第１の光パルスは第１の周期で生成され、第２の光パルスも第１の周期で生成される。

ハーフミラー３は、入射光の一部を透過し、入射光の残り（一部）を反射する。ハーフミラー３は、パルスレーザ１からの光ビームを受光し、一部を透過して右方向に射出し、残りを下方向に反射する。また、ハーフミラー３は、パルスレーザ２からの光ビームを受光し、一部を透過して下方向に射出し、残りを右方向に反射する。ハーフミラー３は、パルスレーザ１と２からの光ビームが２方向に分波され、かつパルスレーザ１と２の光ビームが同軸上に合波されるように配置する。分波した一方は、同期装置で利用し、もう一方は非線形光学顕微鏡など同期した光パルス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、ハーフミラー３からの光を受光し、第１の光パルス２１を透過させ、第２の光パルス２２を反射させる光分離手段である。ダイクロイックミラー４には、波長λ１の光を透過させ、波長λ２の光を反射させるように設計した誘電体多層膜を利用する。

光強度調整手段５は、ダイクロイックミラー４を透過した第１の光パルス２１の光を受光し、第１の光パルス２１の光強度を調整する。調整方法については後述する。第１の光パルス２１は光強度調整手段５を透過した後、遅延合波手段３０に入射する。

折り曲げミラー６は、ダイクロイックミラー４を反射した第２の光パルス２２の光路を９０度折り曲げる（偏向する）。光強度調整手段７は、折り曲げミラー６によって折り曲げられた第２の光パルス２２の光を受光し、第２の光パルス２２の光強度を調整する。調整方法については後述する。第２の光パルス２２は、光強度調整手段７を透過した後、遅延合波手段４０に入射する。

遅延合波手段（第１の遅延合波手段）３０は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１、３２およびミラー３３、３４によって構成される。ＰＢＳは、入射光を偏光成分に応じて分岐し、例えば、入射光のＰ偏光成分をそのまま透過し、入射光のＳ偏光成分を入射方向と直交する方向に分離する。

ＰＢＳ３１に入射した光は直交する偏光状態を持つ２つの光パルスに分波され、分波された２つの光パルスは異なる２方向に進む。分波された一方の光パルスはそのままＰＢＳ３２に入射し、もう一方の光パルスはミラー３３、３４で反射した後、ＰＢＳ３２に入射する。ＰＢＳ３２から出射する２つの光パルスが同軸となるように、ＰＢＳ３１、３２およびミラー３３、３４の設置角度は調整される。ＰＢＳ３２で合波された光パルスを第３の光パルス２３とする。

図２（ａ）は、第３の光パルス２３の強度の時間プロファイルを表している。図２（ａ）において、横軸は時間（ｔ）、縦軸は光強度を表しており、これは、図２（ｂ）〜（ｇ）でも同様である。

図２（ａ）は、ＰＢＳ３１で分波された２つの光パルスに起因するパルスを実線と点線で分けて示している。分波された２つの光パルスは異なる光路長を通ることから実線と点線のパルスは、第１の遅延時間Ｔ１だけ時間がずれている。実線と点線で示した光パルスの強度が等しくなるように、光強度調整手段５は第１の光パルス２１の偏光を調整する。光強度調整手段５は、例えば、半波長板で構成され、遅延合波手段３０に入射する偏光方向を回転させることによりＰＢＳ３１で分波する光パルスの強度比を調整する。

一般には、光強度調整手段５の調整は一度行えば、フィードバック制御のように常時行わなくてもよい。例えば、専用の光検出器を、折り曲げミラー８を設置する前に折り曲げミラー８の位置に置き、図２（ａ）の情報を取得し、分割した２つの光パルスの光強度が合波された後に一致するように、分割した２つの光パルスの少なくとも一方の光強度を調整する。例えば、２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように半波長板を図１の一点鎖線で示す光軸周りに回転させる。２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように保守者が手動で半波長板を回転してもよいし、２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように不図示の制御手段が半波長板の回転手段を制御してもよい。代替的に、後述する光検出器１１の感度によっては、パルスレーザ２への通電を切るか、第２の光パルス２２を遮光し、後述する同期検波回路１２からの出力がゼロになるように半波長板を光軸周りに回転させてもよい。

ここで、ＰＢＳ３１、３２を、光強度を等分するハーフミラーに置き換えてもよい。その場合、光強度変調器５の代わりとして、ハーフミラーで分岐した一方の光路に光強度を調整する素子（例えば可変ＮＤフィルタ）を導入する。

同様に、遅延合波手段（第２の遅延合波手段）４０は、ＰＢＳ４１、４２およびミラー４３、４４によって構成される。ＰＢＳ４１に入射した光は直交する偏光状態を持つ２つの光パルスに分波され、分波された２つの光パルスは異なる２方向に進む。分波された一方の光パルスはそのままＰＢＳ４２に入射し、もう一方の光パルスはミラー４３、４４で反射した後、ＰＢＳ４２に入射する。ＰＢＳ４２から出射する２つの光パルスは同軸となるように、ＰＢＳ４１、４２およびミラー４３、４４の設置角度は調整される。ＰＢＳ４２で合波された光パルスを第４の光パルス２４とする。

図２（ｂ）は、第４の光パルス２４の強度の時間プロファイルを表している。図２（ｂ）ＰＢＳ４１で分波された２つの光パルスに起因するパルスを実線と点線で分けて示している。分波された２つの光パルスは異なる光路長を通ることから実線と点線のパルスは、第２の遅延時間Ｔ２だけ時間がずれている。第２の遅延時間Ｔ２は第１の遅延時間Ｔ１に対して以下の数式（１）の関係を有する。実線と点線で示した光パルスの強度が等しくなるように、光強度調整手段７は第２の光パルス２２の偏光を調整する。光強度調整手段７は、例えば、半波長板で構成され、遅延合波手段４０に入射する偏光方向を回転させることによりＰＢＳ４１で分波する光パルスの強度比を調整する。

一般には、光強度調整手段７の調整は一度行えば、フィードバック制御のように常時行わなくてもよい。例えば、専用の光検出器を、ダイクロイックミラー９を設置する前にダイクロイックミラー９の位置に置き、図２（ｂ）の情報を取得する。そして、分割した２つの光パルスの光強度が合波された後に一致するように、分割した２つの光パルスの少なくとも一方の光強度を調整する。例えば、２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように半波長板を図１の点線で示す光軸周りに回転させる。２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように保守者が手動で半波長板を回転してもよいし、２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように不図示の制御手段が半波長板の回転手段を制御してもよい。代替的に、後述する光検出器１１の感度によっては、パルスレーザ１への通電を切るか、第１の光パルス２１を遮光し、後述する同期検波回路１２からの出力がゼロになるように半波長板を光軸周りに回転させてもよい。

ここで、ＰＢＳ４１、４２を、光強度を等分するハーフミラーに置き換えればよい。その場合、光強度変調器７の代わりとして、ハーフミラーで分岐した一方の光路に光強度を調整する素子（例えば可変ＮＤフィルタ）を導入する。

遅延合波手段３０から出射する第３の光パルス２３は、折り曲げミラー８によって光路が９０度折り曲げられるように反射された後、ダイクロイックミラー９に入射する。遅延合波手段３０から出射する第３の光パルス２３と遅延合波手段４０から出射する第４の光パルス２４は、ダイクロイックミラー９によって同軸上に合波される。ダイクロイックミラー９はダイクロイックミラー４と同じ設計のものでよく、波長λ１の光を透過させ、波長λ２の光を反射させる。

合波された第３の光パルス２３と第４の光パルス２４は、対物レンズ１０により光検出器１１の受光面上に集光される。光検出器１１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１０は開口数が０．５以上のものが好ましい。

光検出器１１は、例えば、第３の光パルスおよび第４の光パルスを受光するフォトダイオードを有する。フォトダイオードは、２光子九州により発生した電流を電圧に変換する。受光素子は、対物レンズ１０が形成した光学像を光電変換する。光検出器１１の受光素子は２光子吸収信号を得るために、第３の光パルス２３の光子エネルギー（Ｅ３∝１／λ１）と第４の光パルス２４の光子エネルギー（Ｅ４∝１／λ２）の和、つまりＥ３＋Ｅ４に対応した波長λ１・λ２／（λ１＋λ２）に感度を有する。第３の光パルス２３の波長が８００ナノメートル、第４の光パルス２４の波長が１０３０ナノメートルである場合、４５０ナノメートルに光検出の感度があればよい。

図２（ｃ）は、第３の光パルス２３が図２（ａ）に示す状態、第４の光パルス２４が図２（ｂ）に示す状態のときの、Ｅ３＋Ｅ４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を示している。２光子吸収信号は、第３の光パルス２３のパルス強度と第４の光パルス２４のパルス強度の積に比例する。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、光パルスが同期した状態を示しており、第３の光パルス２３と第４の光パルス２４において、パルスピークのタイミング差が隣接パルスで等しい（図２（ｂ）のΔｔ１とΔｔ２が等しい）。このパルス同期状態は、図２（ｃ）に示すように、２光子吸収信号の隣接パルスの強度が等しくなるようにパルス周期調整手段１４（または共振器長）を制御することで実現される。

図２（ｄ）は、パルスレーザ１または２の共振器長が外乱により変化し、第４の光パルス２４がパルス同期状態に比べて遅れて光検出器１１に到達したときの、第４の光パルス２４の強度の時間プロファイルである。

図２（ｅ）は、第３の光パルス２３および第４の光パルス２４がそれぞれ図２（ａ）および図２（ｄ）で示す状態のときの、Ｅ３＋Ｅ４に対応する２光子吸収信号の時間プロファイルを示す。このとき、２光子吸収信号の隣接パルスの強度に差が生じる。

図２（ｆ）は、パルスレーザ１または２の共振器長が外乱により変化し、第４の光パルス２４がパルス同期状態に比べて進んで光検出器１１に到達したときの、第４の光パルス２４の強度の時間プロファイルである。

図２（ｇ）は、第３の光パルス２３および第４の光パルス２４がそれぞれ図２（ａ）および図２（ｆ）で示す状態のときの、Ｅ３＋Ｅ４に対応する２光子吸収信号の時間プロファイルを示す。図２（ｅ）と同様に２光子吸収信号の隣接パルスの強度に差が生じるが、図２（ｅ）と図２（ｆ）では強弱が反転している。この強弱の反転を検出することで光パルスの遅れ・進みを知ることができる。

光検出器１１は、第３の光パルス２３および第４の光パルス２４を受光する非線形結晶（例えば、バリウムボーレート結晶）と、非線形結晶において発生した和周波光を検出するフォトマル（光電子増倍管）と、を有してもよい。前述のＥ３＋Ｅ４に対応する２光子吸収信号と同様に、この和周波光には光パルスの遅れ・進みを表す強度差が含まれる。

２光子吸収信号における隣接パルスの強度差を以下で述べる同期検波によって評価するため、第１の遅延時間Ｔ１および第２の遅延時間Ｔ２は、第１（または第２）のパルス周期の約半分とする。Ｔ１とＴ２の差がゼロ、つまりＴ１とＴ２が等しい場合、利用したい信号である隣接パルスの強度差がゼロとなるため、光パルスの進み・遅れが評価できない。また、Ｔ１とＴ２の差の絶対値が第１と第２のパルス時間幅の和（τ１＋τ２）よりも大きい場合、２光子吸収信号自体が小さくなり隣接パルスの強度差を評価できなくなる。よって、Ｔ１とＴ２の差の絶対値は非ゼロで第１と第２のパルス時間幅の和以下（τ１＋τ２以下）としなければならない。これは以下の条件を満足することに等しい。

０＜｜Ｔ１−Ｔ２｜≦（τ１＋τ２） （１）
なお、第１のパルス時間幅は、第１の光パルスの各光パルスの半値全幅（半値幅）である。また、第２のパルス時間幅は、第２の光パルスの各光パルスの半値全幅である。本発明のパルス同期装置が安定動作する場合は、パルスの時間幅は半値全幅の１〜３倍程度としてもよい。

Ｔ１はミラー３３、３４の位置を変化させることで調整でき、Ｔ２はミラー４３、４４の位置を変化させることで調整できる。２光子吸収信号の強度差の周期は、第４の光パルスの生成元となる第２の光パルスのパルス周期（第２のパルス周期）である。

同期検波回路（同期検波手段）１２は、ロックインアンプなどの電気回路であり、光検出器１１の出力電圧に含まれる第２の周期の振幅の情報（第３の光パルスと第４の光パルスとのタイミング差の情報）を同期検波により取得し、電圧として出力する。第２の周期と第１の周期はほぼ等しい（パルス同期により完全に一致する）ので、同期検波回路１２は、光検出器１１の出力電圧から（第２ではなく）第１の周期成分の振幅を抽出するように構成してもよい。

信号入力（ｓｉｎα）と周波数、位相が同じ参照信号（ｓｉｎβ）とで掛け算すると、三角関数の公式からｓｉｎα・ｓｉｎβ＝｛ｃｏｓ（α−β）−ｃｏｓ（α＋β）｝／２となり、α＝βより、｛ｃｏｓ（０）−ｃｏｓ（２α）｝／２となる。これは、信号入力の振幅に比例した直流分と２倍の周波数の交流分であるから、交流分はローパスフィルタで除去すると信号分の直流が得られる。

図３は、同期検波回路１２の出力電圧（縦軸）と、光パルス同期状態からの第４の光パルス２４のタイミングずれ（つまり、第３と光パルス２３と第４の光パルス２４におけるパルスのタイミング差）（横軸）の関係を示すグラフである。

パルスのタイミング差の向き（第４の光パルス２４の進みまたは遅れ）が同期検波回路１２の出力電圧の正負に対応している。光検出器１１が出力する電圧には、Ｅ３＋Ｅ４に対応する２光子吸収による成分以外に、Ｅ３＋Ｅ３とＥ４＋Ｅ４といった第３および第４の光パルス自身の２光子吸収による成分、Ｅ３およびＥ４といった１光子吸収による成分が含まれる。しかし、Ｅ３＋Ｅ４以外の成分は、第２のパルス周期のちょうど半分の周期で生じるため、同期検波回路１２の出力に影響しない。図２（ｃ）に示す隣接パルスの光強度比が図３の交点（出力電圧ゼロ）に対応し、図２（ｅ）、（ｇ）に示す隣接パルスの光強度比は図３のプラス側とマイナス側に対応する。

フィードバック回路１３は、同期検波回路１２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内に設置されたパルス周期調整手段１４に印加すべき電圧を出力する。

例えば、同期検波回路１２の出力電圧が正の値である場合、第４の光パルス２４は第３の光パルス２３に対して遅れていると仮定する。このとき、第４の光パルス２４を進めて光パルスを同期状態に近づけるべく、フィードバック回路１３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。同期検波回路１２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１３は共振器長を大きくするような電圧を出力する。以上は、同期検波回路１２の出力電圧をゼロにするようなフィードバック制御であり、図２（ａ）および図２（ｂ）で示したパルス同期状態にすることができる。同期検波回路１２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１３を構成し、第３の光パルス２３と第４の光パルス２４のパルスに所望のタイミング差を与えることも可能である。

パルス周期調整手段１４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パルスレーザ２の共振器長を調整する。また、パルス周期調整手段１４は、パルスレーザ２内ではなくパルスレーザ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。

光検出器１１の受光面において、第３の光パルス２３および第４の光パルス２４がそれぞれ図２（ａ）および図２（ｂ）となるように、光パルスが同期される。このとき、第３の光パルス２３と第４の光パルス２４のパルスのピークのタイミングは、光検出器１１の受光面においてわずかにずれている。ハーフミラー３で分波し、非線形光学顕微鏡などで利用する光ビームにおいて、第１および第２の光パルスのピークを一致させるには、このずれを補正すべくハーフミラー３から光検出器１１までの光路長を第３および第４の光パルスで差をつければよい。

第４の光パルス２４に対して第３の光パルス２３が遅れているか、または進んでいるか、を同期検波回路１２の出力電圧の符号で判別できる。光強度やパルス時間幅が変化しても、同期検波回路１２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）同期が実現する。同様に、光検出器１１が感度を有する範囲内で波長が変化しても、光パルス同期が実現する。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。

本実施形態では、ハーフミラー３で合波した後でダイクロイックミラー４により２つの波長に分波しているが、ハーフミラー３で合波する前に第１および第２の光パルスをそれぞれハーフミラーで分波してもよい。また、本実施形態では、遅延合波手段３０および遅延合波手段４０は空間中を伝搬する光を利用することを想定したが、光ファイバ中に光を伝搬させてもよい。

本実施形態では、２つの光パルスのパルス周期は１：１であるが、２つの光パルスのパルス周期が１：２であってもよい。即ち、第２の光パルスは第１の周期の２倍の周期で生成されてもよい。図４は、２つの光パルスのパルス周期が１：２である場合の同期装置のブロック図である。同図において、パルスレーザ１５が第３のパルス時間幅τ３と第３のパルス周期で生成する第２の光パルス２５と第１の光パルス２１において、パルスのタイミングを一致させる。図１で示す構成との大きな違いは、遅延合波手段が２つではなく１つであり、第２の光パルス２５に関してのみ遅延合波手段を透過させる点である。

ダイクロイックミラー４を透過した第１の光パルス２１は、遅延合波手段を透過せずに折り曲げミラー８で反射した後、ダイクロイックミラー９に入射する。図５（ａ）は、光検出器１１の受光面における第１の光パルス２１の強度の時間プロファイルを表す。第１の光パルス２１のパルス周期をＰ１とする。図５（ａ）において、横軸は時間（ｔ）、縦軸は光強度を表しており、これは、図５（ｂ）でも同様である。

ダイクロイックミラー４で反射した第５光パルス２５は、折り曲げミラー６で反射した後、光強度調整手段７を透過して遅延合波手段６０に入射する。遅延合波手段６０は、ＰＢＳ６１、６２およびミラー６３、６４によって構成される。ＰＢＳ６１に入射した光は直交する偏光状態を持つ２つの光パルスに分波され、分波された２つの光パルスは異なる２方向に進む。分波された一方の光パルスはそのままＰＢＳ６２に入射し、もう一方の光パルスはミラー６３、６４で反射した後、ＰＢＳ６２に入射する。ＰＢＳ６２から出射する２つの光パルスは同軸となるように、ＰＢＳ６１、６２およびミラー６３、６４の設置角度は調整される。

ＰＢＳ６２で合波された光パルスを第３の光パルス２６とする。図５（ｂ）は、光検出器１１の受光面における第３の光パルス２６の強度の時間プロファイルを表し、ＰＢＳ６１で分波された２つの光パルスに起因するパルスを実線と点線で分けて示している。分波された２つの光パルスは異なる光路長を通ることから実線と点線のパルスは、第３の遅延時間Ｔ３だけ時間がずれている。

ここで、第１の光パルス２１のパルス周期Ｐ１と第３の遅延時間Ｔ３を、それらの差分の絶対値が非ゼロでかつ、第１と第３のパルス時間幅の和（τ１＋τ３）以下とする。これは以下の条件を満足することに等しい。

０＜｜Ｐ１−Ｔ３｜≦（τ１＋τ３） （２）
なお、第１のパルス時間幅τ１は、第１の光パルス２１の各光パルスの半値全幅の１乃至３倍である。第３のパルス時間幅τ３は、第２の光パルス２５の各光パルスの半値全幅の１乃至３倍である。

一般には、光強度調整手段７の調整は一度行えば、フィードバック制御のように常時行わなくてもよい。例えば、専用の光検出器を、ダイクロイックミラー９を設置する前にダイクロイックミラー９の位置に置き、図５（ｂ）の情報を取得する。そして、分割した２つの光パルスの光強度が合波された後に一致するように、分割した２つの光パルスの少なくとも一方の光強度を調整する。例えば、２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように半波長板を図４の点線で示す光軸周りに回転させる。２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように保守者が手動で半波長板を回転してもよいし、２つの隣接パルスの光強度が等しくなるように不図示の制御手段が半波長板の回転手段を制御してもよい。代替的に、光検出器１１の感度によっては、パルスレーザ１への通電を切るか、第１の光パルス２１を遮光し、後述する同期検波回路１２からの出力がゼロになるように半波長板を光軸周りに回転させてもよい。

ダイクロイックミラー９で合波した第１の光パルス２１と第３の光パルス２６は、対物レンズ１０により光検出器１１の受光面上に集光される。同期検波回路１２は、光検出器１１の出力電圧に含まれる第３のパルス周期成分の振幅（第１の光パルスと第３の光パルスとのタイミング差の情報）を取得し、電圧として出力する。同期検波回路１２の出力電圧には第１の光パルス２１と第３の光パルス２６におけるパルスのタイミング差が反映されている。パルスのタイミング差を補正するように、フィードバック回路１３はパルス周期調整手段１６へ電圧を出力し、第１の光パルス２１および第３の光パルス２６はそれぞれ図５（ａ）および図５（ｂ）の状態となるように制御される。

本発明は、パルス周期がｍ：ｎである２つの光パルスの光パルス同期装置にも拡張することができる。ｍ、ｎは約分された整数とする。ｍ、ｎが共に奇数である場合、パルス周期が１：１の場合と同様に、２つの光パルスそれぞれについて、遅延合波手段を設ける。パルス周期が１：１の場合と同様に、遅延によって生成した光パルスの間の時間差がパルス幅の和以下となるように遅延時間を設定すれば、パルス同期ができる。

ｍ、ｎが奇数と偶数の組み合わせの場合、パルス周期が１：２の場合と同様に、ｍ、ｎのうち奇数である方の光パルスに対してのみ、遅延合波手段を設ける。パルス周期が１：２の場合と同様に、遅延によって生成した光パルスと、遅延合波手段を設けないもう一方の光パルスの光パルス、との間の時差がパルス幅の和以下となるように遅延時間を設定すれば、パルス同期ができる。

図６は、実施例１の顕微鏡システムのブロック図である。顕微鏡システムは、ＳＲＳ顕微鏡１００と、光パルス同期装置２００と、を有する。ＳＲＳ顕微鏡１００は、２つのパルスレーザ１、１５から射出される異なる波長の２つの光パルスを合波し、試料１０５に集光して同時に照射することによって発生する誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）光を検出する。即ち、ＳＲＳ顕微鏡１００は、２つのパルスレーザから射出される異なる波長の２つの光パルスを試料に照射し、非線形光学過程を利用して試料を観察する非線形光学顕微鏡の一種である。光パルス同期装置２００は、２つのパルスレーザ１、１５から射出される光パルスを同期させる。

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。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、パルス時間幅が１〜１０ピコ秒の短パルスレーザを利用するのが望ましい。

パルスレーザ１および１５として、パルス周期が１：２の光パルスを利用する。図７（ａ）はパルスレーザ１が生成する第１の光パルス２１を表し、図７（ｂ）はパルスレーザ１５が生成する第２の光パルス２５を表す。図７（ａ）と図７（ｂ）は、共に横軸が時間（ｔ）を表し、縦軸は光強度を表している。第１の光パルス２１の波長（λ１）は、第２の光パルス２５の波長（λ２）より小さいとする。

パルスレーザ１として中心波長８００ナノメートル、パルス周期１２．５ナノ秒の固体レーザ（チタンサファイアレーザ）を利用する。例えば、Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社のＭａｉ Ｔａｉを利用する。パルスレーザ１５としては、中心波長１０３０ナノメートル、パルス周期２５ナノ秒のイッテルビウムドープファイバレーザを利用する。

第１の光パルス２１と第２の光パルス２５のパルスが、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、タイミングが一致し、かつ試料上の同一地点に集光されると、ＳＲＳによって試料を透過した光パルスの光強度が変化する。図７（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とパルス４の光強度は変化しない。この隣接したパルスの光強度の差は微小であるため、同期検波により検出する。

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、前記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。ｃは光速である。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。ＳＲＳ顕微鏡は自発ラマン散乱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できる。ラマンスペクトルを得るため２つのレーザの少なくとも一方の波長を変化させる。波長変化により光検出器の感度が変わるため、波長が変化しても安定に光パルスを同期させる実施例１は、ＳＲＳ顕微鏡に好適である。

ハーフミラー３は、パルスレーザ１および１５から照射される光ビームを同軸に合波するとともに、２つの方向に分波する。分波した光ビームの一方は光パルス同期装置２００へ入射し、もう一方はＳＲＳ顕微鏡１００へ入射する。光パルス同期装置２００により、ＳＲＳ顕微鏡１００に入射する２つのパルスレーザの光パルスは同期される。

ＳＲＳ顕微鏡１００はレーザ走査顕微鏡の構成をしている。２つのパルスレーザの光ビームは、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方向に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。

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による光学系の倍率は、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信号対雑音比の観点から、大きい開口数（ＮＡ）が望ましい。

試料１０５は、図示していない数１０〜２００マイクロメートルの厚みのカバーガラス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でのみ生じるため、図示していないステージにより試料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。

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を有する。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の光を遮断させ、波長λ１の光を透過させる。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パルス毎に繰り返す光パルスが照射される。フォトダイオード１０９は、８００ナノメータの光パルス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。

パルスレーザ１の光パルス２１の繰り返し周波数８０ＭＨｚ（パルス周期１２．５ナノ秒）に対して、ＳＲＳによる強度変調は４０ＭＨｚ（周期２５ナノ秒）である。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電圧として出力するための電気回路である。

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。

コンピュータ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（ＳＲＳ信号）を２次元画像化し、表示する。コンピュータ１１２は、図示しないステージで試料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、コンピュータ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。

本発明は、第１のパルス時間幅と第１の周期を有する第１の光パルスと、第２のパルス時間幅と第１の周期と等しいあるいは２倍である第２のパルス周期を有する第２の光パルスを同期させる光パルス同期方法にも適用可能である。かかる光パルス同期方法は、コンピュータに各ステップを実行させるためのプログラムとして具現化が可能である。

本発明は、２台のパルスレーザが出射する２つの光パルスにおいてパルスのタイミングを一致させる用途に適用することができる。

１…パルスレーザ（第１のパルスレーザ）、２、１５…パルスレーザ（第２のパルスレーザ）、１１…光検出器、１２…同期検波回路（同期検波手段）、３０…第１の遅延合波手段、４０…第２の遅延合波手段、２００…光パルス同期装置

Claims (7)

1. 第１の光パルスが第１の周期で生成され、第２の光パルスが第１の周期で生成されるように同期させる光パルス同期装置であって、
   前記第１の光パルスを分割して得た２つの光パルスの間に第１の遅延時間を与えて合波することで第３の光パルスを生成する第１の遅延合波手段と、
   前記第２の光パルスを分割して得た２つの光パルスの間に第２の遅延時間を与えて合波することで第４の光パルスを生成する第２の遅延合波手段と、
   前記第３の光パルスと前記第４の光パルスとを合波した光パルスを検出する光検出器と、
   前記光検出器の出力を同期検波することで前記第３の光パルスと前記第４の光パルスとのタイミング差の情報を取得する同期検波手段と、
   前記同期検波手段が取得した前記情報に基づいて、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスの少なくとも一方が生成される周期を調整する周期調整手段と、
   前記第１の遅延合波手段および前記第２の遅延合波手段の少なくとも一方において、分割して得た前記２つの光パルスの光強度が合波された後に一致するように、前記２つの光パルスの少なくとも一方の光強度を調整する光強度調整手段と、を有し、
   前記第１の光パルスのパルス時間幅をτ１、前記第２の光パルスのパルス時間幅をτ２、前記第１の遅延時間をＴ１、前記第２の遅延時間をＴ２、とするとき、以下の条件を満足することを特徴とする光パルス同期装置。
   ０＜｜Ｔ１−Ｔ２｜≦（τ１＋τ２）
2. 前記光検出器は、前記第３の光パルスおよび前記第４の光パルス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光子吸収により発生した電流を電圧に変換す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。
3. 前記光検出器は、前記第３の光パルスおよび前記第４の光パルスを受光する非線形結晶と、該非線形結晶において発生した和周波光を検出する光電子増倍管と、を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。
4. 第１の光パルスが第１の周期で生成され、第２の光パルスが前記第１の周期の２倍の周期で生成されるように同期させる光パルス同期装置であって、
   前記第２の光パルスを分割して得た２つの光パルスの間に遅延時間を与えて合波することで第３の光パルスを生成する遅延合波手段と、
   前記第１の光パルスと前記第３の光パルスとを合波した光パルスを検出する光検出器と、
   前記光検出器の出力を同期検波することで前記第１の光パルスと前記第３の光パルスとのタイミング差の情報を取得する同期検波手段と、
   前記同期検波手段が取得した前記情報に基づいて、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスの少なくとも一方が生成される周期を調整する周期調整手段と、
   前記遅延合波手段において、分割して得た前記２つの光パルスの光強度が合波された後に一致するように、前記２つの光パルスの少なくとも一方の光強度を調整する光強度調整手段と、を有し、
   前記第１の光パルスのパルス時間幅をτ１、前記第２の光パルスのパルス時間幅をτ３、前記第１の周期をＰ１、前記遅延時間をＴ３、とするとき、以下の条件を満足することを特徴とする光パルス同期装置。
   ０＜｜Ｐ１−Ｔ３｜≦（τ１＋τ３）
5. 前記光検出器は、前記第１の光パルスおよび前記第３の光パルス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光子吸収により発生した電流を電圧に変換することを特徴とする請求項４に記載の光パルス同期装置。
6. 前記光検出器は、前記第１の光パルスおよび前記第３の光パルスを受光する非線形結晶と、該非線形結晶において発生した和周波光を検出する光電子増倍管と、を有することを特徴とする請求項４または５に記載の光パルス同期装置。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の光パルス同期装置と、
   前記第１および第２の光パルスを試料に照射し、非線形光学過程を利用して前記試料を観察する非線形光学顕微鏡と、を有することを特徴とする顕微鏡システム。