(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-25
(45)【発行日】2024-11-05
(54)【発明の名称】ＣＡＲＳスペクトルを取得するための方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
G01N 21/65 20060101AFI20241028BHJP
【ＦＩ】
G01N21/65
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2023574216
(86)(22)【出願日】2022-08-08
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2024-08-08
(86)【国際出願番号】 JP2022030221
(87)【国際公開番号】W WO2023022037
(87)【国際公開日】2023-02-23
【審査請求日】2024-02-29
(31)【優先権主張番号】63/235,492
(32)【優先日】2021-08-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】509339821
【氏名又は名称】アトナープ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100102934
【弁理士】
【氏名又は名称】今井 彰
(72)【発明者】
【氏名】ブルックナー ルーカス
【審査官】横尾 雅一
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０７３８８６６８（ＵＳ，Ｂ２）
【文献】国際公開第２０１０／０１３１１８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／１７１８６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／２２２３００（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２００６－５１６７３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００２３４８２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／６２ － Ｇ０１Ｎ ２１／７４
Ｇ０１Ｊ ３／００ － Ｇ０１Ｊ ３／５２
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ストークス光パルス、ブロードバンドポンプ光パルスおよびナローバンドポンプ光パルスを、前記ナローバンドポンプ光パルスの位相を変化させながら、ターゲットの一部に同期して照射することにより、ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することと、取得された前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを比較して共鳴成分を抽出することとを含む方法。
【請求項2】
請求項１において、前記ブロードバンドポンプ光パルスは、前記ストークス光パルスとともに局部発振（ＬＯ）信号を発生するように選択され、
前記ナローバンドポンプ光パルスは、前記ストークス光パルスとともに共鳴成分を含む信号を発生するように選択される、方法。
【請求項3】
請求項１または２において、前記ストークス光パルス、前記ブロードバンドポンプ光パルスおよび前記ナローバンドポンプ光パルスを用いて前記ターゲットを走査し、各画素における前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することをさらに含む、方法。
【請求項4】
請求項１または２において、前記ストークス光パルス、前記ブロードバンドポンプ光パルスおよび前記ナローバンドポンプ光パルスを用いて前記ターゲットを走査し、各ボクセルの前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することをさらに含む、方法。
【請求項5】
請求項１または２において、前記ストークス光パルスは、第１の波長範囲を有し、
前記ブロードバンドポンプ光パルスは、前記第１の波長範囲よりも短い第２の波長範囲を有し、
前記ナローバンドポンプ光パルスは、前記第２の波長範囲よりも狭い第３の波長範囲であって、前記第２の波長範囲の中心波長と同じ中心波長を備えた第３の波長範囲を有する、方法。
【請求項6】
請求項１または２において、前記ストークス光パルスはブロードバンドストークスビームを有する、方法。
【請求項7】
請求項１または２において、前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することは、前記ストークス光パルス、前記ブロードバンドポンプ光パルスおよび前記ナローバンドポンプ光パルスに加えて、前記ナローバンドポンプ光パルスの波長範囲よりも短い波長範囲を有するプローブ光パルスを前記ターゲットの一部に照射することを含む、方法。
【請求項8】
請求項７において、前記プローブ光パルスは、前記ナローバンドポンプ光パルスに対して遅延されたプローブ光パルスであり、
前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することは、ＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することを含み、
前記抽出することは、取得されたＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを比較することを含む、方法。
【請求項9】
ストークス光パルス、ブロードバンドポンプ光パルスおよびナローバンドポンプ光パルスを、ターゲットの一部に同期して照射するように構成された光路と、
前記ナローバンドポンプ光パルスの位相を制御するように構成されたモジュレーターと、
前記ナローバンドポンプ光パルスの位相と関連付けられたＣＡＲＳスペクトルのセットを取得するために、前記ストークス光パルス、前記ブロードバンドポンプ光パルスおよび前記ナローバンドポンプ光パルスによって生成されたＣＡＲＳスペクトルを検出するように構成されたディテクターと、を有するシステム。
【請求項10】
請求項９において、前記光路は、前記ストークス光パルスを第１の波長範囲で供給するように構成された第１の光路と、
前記ブロードバンドポンプ光パルスを前記第１の波長範囲よりも短い第２の波長範囲で供給するように構成された第２の光路と、
前記ナローバンドポンプ光パルスを、前記第２の波長範囲よりも狭い第３の波長範囲であって、前記第２の波長範囲の中心波長と同じ中心波長を有する第３の波長範囲で供給するように構成された第３の光路とを含む、システム。
【請求項11】
請求項１０において、前記第１の光路は、前記ブロードバンドポンプ光パルスからブロードバンドストークスビームを生成するための第１の光学素子を含む、システム。
【請求項12】
請求項１０または１１において、前記第３の光路は、前記ブロードバンドポンプ光パルスから前記ナローバンドポンプ光パルスを生成するための第２の光学素子を含む、システム。
【請求項13】
請求項９ないし１１のいずれかにおいて、前記ストークス光パルス、前記ブロードバンドポンプ光パルスおよび前記ナローバンドポンプ光パルスを用いて前記ターゲットを走査し、各画素における前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得するように構成されたスキャナーをさらに含む、システム。
【請求項14】
請求項９ないし１１のいずれかにおいて、前記ストークス光パルス、前記ブロードバンドポンプ光パルスおよび前記ナローバンドポンプ光パルスを用いて前記ターゲットを走査し、各ボクセルの前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得するように構成されたスキャナーをさらに含む、システム。
【請求項15】
請求項９ないし１１のいずれかにおいて、取得された前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを比較することにより共鳴成分を抽出するように構成された分析器をさらに含む、システム。
【請求項16】
請求項９ないし１１のいずれかにおいて、前記光路は、前記ストークス光パルス、前記ブロードバンドポンプ光パルスおよび前記ナローバンドポンプ光パルスとともに、前記ターゲットの一部を照射するための前記ナローバンドポンプ光パルスの波長よりも短い波長範囲を有するプローブ光パルスを供給するように構成された第４の光路を含む、システム。
【請求項17】
請求項１６において、前記第４の光路は、前記プローブ光パルスを、前記ナローバンドポンプ光パルスに対して遅延したプローブ光パルスとして供給するための遅延素子を含み、
前記ディテクターは、前記ストークス光パルス、前記ブロードバンドポンプ光パルスおよび前記ナローバンドポンプ光パルスに加えて、前記遅延したプローブ光パルスにより生
成されたＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルを検出するように構成されている、システム。
【請求項18】
請求項１７において、取得された前記ＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを比較することにより共鳴成分を抽出するように構成された分析器をさらに含む、システム。
【請求項19】
請求項９ないし１１のいずれかに記載のシステムをコンピューターで動作させるコンピュータープログラムであって、前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得し、取得された前記ＣＡＲＳスペクトルのセットを比較することによって共鳴成分を抽出するように前記システムを制御するための命令を含む、コンピュータープログラム。
【請求項20】
請求項１７に記載のシステムをコンピューターで動作させるコンピュータープログラムであって、前記ＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得し、取得された前記ＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを比較して共鳴成分を抽出するように前記システムを制御するための命令を含む、コンピュータープログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に、ＣＡＲＳ（コヒーレント反ストークスラマン散乱（分光））スペクトルおよび／または複数のスペクトルを取得するためのシステムおよび方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
米国特許第７，３８８，６６８号は、試料体積内に誘導された非線形コヒーレント場を検出するためのシステムを開示している。このシステムは、第１の周波数で第１の電磁場を発生するための第１のソースと、第２の周波数で第２の電磁場を発生するための第２のソースと、第１および第２の電磁場を試料体積に向けるための第１の光学系と、第１および第２の電磁場を局部発振器体積に向けるための第２の光学系と、干渉計とを含む。干渉計は、試料体積における第１および第２の電磁場の相互作用によって生成される第１の散乱場と、局所発振器体積における第１および第２の電磁場の相互作用によって生成される第２の散乱場とを干渉させるためのものである。
【0003】
コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ）のスペクトルまたは散乱光を検出することを含む方法およびシステムは、例えば、生体対象の関心対象の生化学的および構造特性評価の分野、特に生体対象の関心対象の生化学組成物の侵襲的および非侵襲的評価およびそれらのアプリケーションを含む広い分野で応用されている。
【発明の概要】
【0004】
しかしながら、ＣＡＲＳスペクトル（スペクトラ）は共鳴成分と非共鳴成分とを含む。局部発振（ＬＯ）を用いたヘテロダイン検出は、ＣＡＲＳスペクトル（スペクトラ、複数のスペクトル）から共鳴成分を取得するための解決策の１つであった。この方法は、（ａ）信号と一定の位相関係を持つコヒーレントで位相安定なＬＯと信号をオーバーラップさせるステップと、（ｂ）ＬＯと信号の位相差をスキャンするステップとを含む。位相差は、ディレイステージ、シングルムービングミラー、対象物全体の移動（エピ、後方散乱）、パルスシェーパー、２つのガラスウェッジなどによって制御することができる。局部発振源としては、米国特許第７，３８８，６６８号に開示されているような、非共鳴試料の第２の焦点からＬＯ信号を発生させる発振器、外部レーザー、コヒーレントプロセスで発生するレーザー（ＮＯＰＡ／ＯＰＡ）、ブロードバンドレーザーのブルーウィング（ＳＢ－ＣＡＲＳ）などが考えられる。しかしながら、このような外部、すなわちターゲット以外からＬＯを取得する方法では、異なる光学系を使用することによる不安定性に加え、ＬＯの取得や切り替えに時間がかかるという問題がある。
【0005】
本発明の一態様は、（ｉ）ストークス光パルス、ブロードバンドポンプ光パルスおよびナローバンドポンプ光パルスを、ナローバンドポンプ光パルスの位相を変化させながら、ターゲットの一部に同期して照射することにより、ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することと、（ｉｉ）取得されたＣＡＲＳスペクトルのセットを比較することにより、共鳴成分を抽出することと、を含む方法である。本発明者のシミュレーション結果によれば、ブロードバンドポンプ（広帯域のポンプ、波長範囲の広いポンプ）を用いることで、スペクトルから共鳴（共振、レゾナント）が除去され、スペクトルをＬＯ信号またはシグナルとして使用することができることが見出された。この方法では、ブロードバンドポンプ光パルス（広帯域のポンプ光パルス、波長範囲の広いポンプ光パルス）を用いることにより、ターゲットから、ナローバンドポンプ光パルス（狭帯域のポンプ光パルス、波長範囲の狭いポンプ光パルプ）で発生した共鳴成分を含む信号とともに（同時に）、ＬＯ信号を得ることができる。そのため、この方法により、本質的に安定した干渉が得られ、リファレンスの測定が不要で、光学系の切り替えが不要であり、スキャン速度を向上できる。ＬＯと共鳴成分を持つ信号とを得るためにサンプルを切り替える場合、レーザーのドリフトなどの不安定要因が発生する可能性がある。しかしながら、本手法では、ターゲットからＬＯと共鳴成分を持つ信号とを同じ光学系で同時に取得するため、ＬＯと共鳴成分を持つ信号との測定間でそのような変化やドリフトが発生することを防止できる。
【0006】
ブロードバンドポンプ光パルスは、ストークス光パルスとで局部発振（局部振動、ＬＯ）信号を生成するために選択され、ＬＯ信号を生成するためのＬＯプローブ光信号として用いられる。ナローバンドポンプ光パルスは、ストークス光パルスとともに共鳴成分を含む信号を生成するように選択され、共鳴成分を含む信号を生成するための第１のプローブ光信号として用いられる。
【0007】
本方法は、２ＤのＣＡＲＳ顕微鏡イメージングを実行するために、ストークス光パルス、ブロードバンドポンプ光パルス、およびナローバンドポンプ光パルスを用いてターゲットを走査し、各画素におけるＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することをさらに含んでもよい。本方法は、３ＤのＣＡＲＳ顕微鏡イメージングを実行するために、ストークス光パルス、ブロードバンドポンプ光パルス、およびナローバンドポンプ光パルスでターゲットを走査し、各ボクセルでＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することをさらに含み得る。
【0008】
この方法は、時間分解コヒーレント反ストークスラマン散乱、または時間遅延コヒーレント反ストークスラマン散乱（ＴＤ－ＣＡＲＳ）マイクロスコピ（顕微鏡法）にも適用できる。ＴＤ－ＣＡＲＳは、ストークス光およびポンプ光のパルスに加えてプローブ光パルスを用いるもので、仮想的な電子遷移とラマン遷移の異なる時間応答を利用して非共鳴バックグラウンドを抑制する手法としても知られている。プローブ光パルスは、ストークス光とポンプ光のパルスに対して遅延を持ち、ストークスパルス光とポンプパルス光による励起のそれぞれに対し、プローブパルスが追従する。遅延したプローブパルスにより、ＬＯの強度を低下させてもよく、共鳴特性（共鳴成分）の相対強度を向上させることができる。
【0009】
すなわち、ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することは、ストークス光パルス、ブロードバンドポンプ光パルスおよびナローバンドポンプ光パルスに加えて、ナローバンドポンプ光パルスよりも短い波長範囲を有するプローブ光パルスをターゲットの一部に照射することを含んでもよい。プローブ光パルスは、ナローバンドポンプ光パルスに対して遅延したプローブ光パルスであってもよい。ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得するステップは、ＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得することを含んでもよく、抽出するステップは、取得されたＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを比較することを含んでもよい。
【0010】
本発明の他の態様の１つは、（ｉ）ストークス光パルス、ブロードバンドポンプ光パルスおよびナローバンドポンプ光パルスをターゲットの一部に同期して照射するように構成された光路と、（ｉｉ）ナローバンドポンプ光パルスの位相を制御するように構成されたモジュレーター（変調器）と、（ｉｉｉ）ナローバンドポンプ光パルスの位相に関連するＣＡＲＳスペクトルのセットを取得するため、ストークス光パルス、ブロードバンドポンプ光パルスおよびナローバンドポンプ光パルスにより生成されたＣＡＲＳスペクトルを検出ように構成されたディテクター（検出器）と、を有する。
【0011】
この発明のさらに異なる他の態様の１つは、上述したシステムを動作させるコンピューターのために非一過性媒体に格納されたコンピュータープログラムまたはコンピュータープログラム製品である。コンピュータープログラム（プログラム製品）は、ＣＡＲＳスペクトルまたはＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを取得し、取得されたＣＡＲＳスペクトルまたはＴＤ－ＣＡＲＳスペクトルのセットを比較することにより共鳴成分を抽出するようにシステムを制御するための命令を含む。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本明細書の実施形態は、図面を参照した以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本明細書における実施形態ならびにその様々な特徴および有利な詳細は、添付図面に図示され、以下の説明において詳述される非限定的な実施形態を参照して、より十分に説明される。周知の構成要素および処理技術の説明は、本明細書における実施形態を不必要に不明瞭にしないように省略する。本明細書で使用される例は、単に、本明細書の実施形態が実施され得る方法の理解を容易にし、当業者が本明細書の実施形態を実施することをさらに可能にすることを意図している。したがって、実施例は、本明細書における実施形態の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【0014】
図１は、この発明の実施形態によるシステム１を示す。このシステム１は、ターゲット（対象物、サンプル）５のある部分（一部）５ａに、複数のＣＡＲＳ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ ＳｃａｔｔｅｒｉｎｇまたはＣｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）信号（ＣＡＲＳスペクトル、ＣＡＲＳライト）１５を生成するために、複数のストークス光パルス１１、複数のブロードバンドポンプ光パルス１２および複数のナローバンドポンプ光パルス１３を供給（出射）してターゲット５の一部（部位）５ａに照射するように構成された光モジュール１０を備える。本システム１は、用途に応じて、測定装置、分析装置、モニタリング装置、モニター等として使用することができる。この光学系（光学システム）１０は、ＣＡＲＳを用いて、キュベット内のサンプルや人体などのターゲット５の表面や内部の状態あるいは成分を示すデータを取得する。
【0015】
このシステムはさらに、レンズ２５および他の光学要素を介して複数のストークス光パルス１１および複数のポンプ光パルス１２および１３でターゲット５を走査し、ターゲット５からＣＡＲＳ光１５を取得するように構成されたスキャナー（走査インターフェース）６０と、複数のナローバンド（狭帯域の、狭い波長範囲の）ポンプ光パルス１３の位相を制御するように構成されたモジュレーター（変調器）７０と、分析するためにＣＡＲＳ光１５を検出するように構成されたディテクター（検出器）５０と、このシステム１およびモジュール、すなわち、スキャナー６０、モジュレーター７０、およびレーザー光源３０など、を制御するように構成されたコントローラー（制御装置）５５とを備える。スキャニングモジュール６０は、キュベット、非侵襲的サンプラー、侵襲的サンプラー、流路（フローパス）、またはフィンガーチップ（指先用）スキャニングインターフェースモジュールなどのウェアラブルスキャニングインターフェースであってもよい。コントローラー５５は、レーザー光源３０を制御するレーザーコントローラー５８と、ＣＡＲＳ（ＣＡＲＳスペクトル）によって内部組成（成分）を分析するアナライザー（分析器）５６とを含む。分析器５６は、ＣＡＲＳ光１５が生成されるターゲット５の部分（部位）５ａを確認（点検、検証）するための複数のモジュールを含んでいてもよい。コントローラー５５のメモリーに格納されたプログラム（プログラムプロダクション、プログラム製品、ソフトウェア、アプリケーション）５９は、メモリー、ＣＰＵ等のコンピューター資源を用いてコントローラー５５上の処理を実行するために提供される。プログラム（ソフトウェア）５９は、プロセッサーまたはコンピューターによって読み取り可能な他の記憶媒体（非一時的媒体）として提供されてもよい。プログラムは、システム１を制御して本明細書に記載の処理を実行するための複数の命令を含んでもよい。
【0016】
光学システム１０は、複数のストークス光パルス（ストークスビームパルス、第１の光パルス）１１およびポンプ光パルス（ポンプビームパルス、第２の光パルス）１２および１３用に第１の波長１０４０ｎｍの複数の第１のレーザーパルス３０ａを発生させるためのレーザー光源３０を含む。好ましいレーザー光源３０の１つは、ファイバーレーザーである。これらの第１のレーザーパルス３０ａは、数１０～数１００ｍＷの１～数１００ｆｓ（フェムト秒）オーダーのパルス幅を有し、フェムト秒オーダーのパルス幅を有するストークス光１１およびポンプ光１２、１３のパルス（複数のパルス）を生成する。これらのストークス光１１およびポンプ光１２、１３のパルスのパルス幅ＰＷ１は、１～数１００ｆｓであってもよく、例えば、１～９００ｆｓであってもよく、１０～６００ｆｓであってもよく、５０～４００ｆｓであってもよい。光学系１０は、これらのレーザー光のパルスを分離、組み合わせる（合波する）ための１つまたは複数の光路を形成するためのレンズ、フィルター、ミラー、ダイクロイックミラーおよびプリズムなどの複数の光学素子２９を含む。
【0017】
光学系１０は、ストークス光路（第１の光路、ストークスユニット）２１を含み、このストークス光路２１に含まれるＰＣＦ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ、フォトニック結晶ファイバー、ファイバー、第１の光学素子）２１ａを介して、ポンプ光パルス１２および１３に共通する第１のレーザーパルス３０ａから第１の波長範囲Ｒ１（例えば１０８０～１３００ｎｍ）のブロードバンド（広帯域、波長範囲の広い）の複数のストークス光パルス（第１の光パルス）１１を供給するように構成されている。光学系１０は、ブロードバンドポンプ光路（第２の光路、ブロードバンドポンプユニット）２２を含み、この光路２２は、ストークス光１１と共通する第１のレーザーパルス３０ａからの第１の波長範囲（第１の範囲）Ｒ１よりも短い第２の波長範囲Ｒ２（例えば、中心波長が１０４０ｎｍ）を有する複数のブロードバンド（広帯域、波長範囲の広い）ポンプ光パルス（第２の光パルス）１２を供給するように構成されている。光学系１０は、経路２１により供給される複数のストークス光パルス１１と、光路２２により供給される複数のポンプ光パルス１２とを光入出力部（レンズシステム）２５に供給する共通の光路を含む。これらの光路には、各光路を構成するために必要なフィルター、ファイバー、ダイクロイックミラー、プリズム等の複数の光学素子が含まれる。以下に説明する光路についても同様である。
【0018】
光学系１０は、ストークス光路２１およびブロードバンドポンプ光路２２に加えて、ナローバンドポンプ光路（第３の光路、ナローバンドポンプユニット）２３を含み、この光路２３は、ストークス光１１およびブロードバンドポンプ光１２に共通する第１のレーザーパルス３０ａから第３の波長範囲Ｒ３（例えば、中心波長は１０４０ｎｍ）を有する複数のナローバンド（狭帯域、波長範囲の狭い）ポンプ光パルス（ナローバンドポンプ光パルス、第３の光パルス）１３を供給するように構成されている。光学系１０は、これらのストークス光パルス１１およびブロードバンドポンプ光パルス１２とともに光路２３から供給されるナローバンドポンプ光パルス１３を光入出力部（レンズ系）２５に供給する共通の光路を含む。
【0019】
ナローバンドポンプ光パルス１３の第３の波長範囲Ｒ３は、ブロードバンドポンプ光パルス１２の第２の波長範囲Ｒ２よりも狭く、第２の波長範囲Ｒ２の中心波長と同じ中心波長を有する。第３の光路２３は、ブロードバンドポンプ光パルス１２（第１のレーザーパルス３０ａであってもよい）からナローバンドポンプ光パルス１３を生成するための第２の光学素子２４を含む。典型的な第２の光学素子または要素は、所望の帯域幅を選択するための光学フィルターまたはローパスフィルターおよびハイパスフィルターのようなフィルターの組み合わせである。
【0020】
このシステム１では、ブロードバンドポンプ光パルス１２は、ポンプ光としての中心波長を含み、ストークス光パルス１１とともに局部発振（ＬＯ、ローカルオッシレーション、局部振動）信号を生成するように選択される。ナローバンドポンプ光パルス１３は、ブロードバンドポンプ光パルス１２と同じ中心波長を含み、ストークス光パルス１１と共鳴成分（共振成分、レゾナント成分）を含む信号を発生するように選択される。ブロードバンドポンプ光パルス１２の波長の第２の範囲Ｒ２のＦＷＨＭは、１０～１００ｎｍであってもよく、２０～５０ｎｍであってもよい。実施形態の１つでは、波長の第２の範囲Ｒ２のＦＷＨＭは３０ｎｍであってもよい。ナローバンドポンプ光パルス１３の波長の第３の範囲Ｒ３のＦＷＨＭは、１～１０ｎｍであってもよく、１～５ｎｍであってもよい。実施形態の１つでは、波長の第３の範囲Ｒ３のＦＷＨＭは２ｎｍであってもよい。
【0021】
光学システム１０は、ストークス光パルス１１、ブロードバンドポンプ光パルス１２およびナローバンドポンプ光パルス１３をターゲット５に同期して同軸的に出力し、共通の光路を介してターゲット５からＣＡＲＳ光１５を取得するように構成された光入出力部（光学ユニット）２５をさらに含む。典型的な光入出力ユニット２５は、ターゲット５に対向し、後方に出射されたＣＡＲＳ光パルス（Ｅｐｉ－ＣＡＲＳ）１５を取得する対物レンズまたはレンズシステムである。光学システム１０は、前方に出射されたＣＡＲＳ光を得るように構成された光路を含んでもよい。この光学システム１０において、波長範囲Ｒ３よりも短い８６０～９８０ｎｍの波長範囲を有するＣＡＲＳ光パルス１５が、ブロードバンドポンプ光パルス１２およびナローバンドポンプ光パルス１３によって生成され、ディテクター５０によって検出されるように取得される。
【0022】
光学系１０は、ナローバンドポンプ光１３の位相を制御するように構成されたモジュレーター（変調器、位相モジュレーター、位相コントローラー、時間遅延ユニット）７０を含む。典型的には、モジュレーターは、ナローバンドポンプ光パルス１３の放出と、ストークス光パルス１１およびブロードバンドポンプ光パルス１２の放出との間の時間差Δｔを制御（変化、設定、変調）する。モジュレーター７０は、時間遅延ステージ（時間遅延ユニット）７１を含み、ステージ７１は、コリメーター７２と、ポンプ光パルス１３の光路（光路の長さ）を変調（変化）するためのモーターやピエゾなどのアクチュエーター７３とを含んでもよい。モジュレーター７０は、コリメーター間の距離を制御するＬＣ－ＳＬＭ（液晶空間光モジュレーター）、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅ－ｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）等を含むことができる。
【0023】
モジュレーター７０による相対的な遅延時間（時間差、時間遅れ）Δｔｓは、コントローラー（制御装置）５５内のタイミングコントローラー５６ｔの制御下で変化したり、設定したりすることができる。モジュレーター７０を用いることにより、ナローバンドポンプ光路２３は、光入出力ユニット２５を介してターゲット５の部位５ａに照射するための、＋／－π／２だけ異なる位相を有するように時間差Δｔｓを変えた、典型的には２種類（型）のナローバンドポンプ光パルス１３ａおよび１３ｂを供給し、ストークス光１１、ブロードバンドポンプ光１２およびナローバンドポンプ光１３の各パルスによるＬＯ信号上の共鳴成分の位相が異なる、典型的には２種類（タイプ）のＣＡＲＳパルス１５ａおよび１５ｂを得ることができる。
【0024】
コントローラー５５は、さらに、ＣＡＲＳスペクトル取得モジュール（ＣＡＲＳ取得モジュール、ＣＡＲＳ取得装置）５６ａを含む。ＣＡＲＳ取得モジュール５６ａは、タイミングモジュール５６ｔを介してモジュレーター７０を制御し、ストークス光パルス１１、ブロードバンドポンプ光パルス１２およびナローバンドポンプ光パルス１３をターゲット５の一部５ａに同期して照射することにより、ナローバンドポンプ光パルス１３の位相のみを変化させて、ＣＡＲＳスペクトル１５ａおよび１５ｂを含むＣＡＲＳスペクトル１５の複数のセットを、ナローバンドポンプ光パルス１３の位相に関連付けて取得する。
【0025】
ディテクター５０は、ストークス光１１、ブロードバンドポンプ光１２、およびナローバンドポンプ光１３ａおよび１３ｂの各パルスによって生成されたＣＡＲＳスペクトル１５ａおよび１５ｂを検出して、ナローバンドポンプ光１３ａおよび１３ｂの位相差に関連するスペクトル１５ａおよび１５ｂを含むＣＡＲＳスペクトル１５の複数のセットを取得するように構成される。
【0026】
コントローラー５５は、分析器５５の機能の１つとして、ターゲット５の部分５ａの特徴または組成を分析するために取得されたＣＡＲＳスペクトルのセットを比較することによって、ＣＡＲＳスペクトル１５の複数のセットから共鳴成分（共鳴特性、共鳴特徴）Ｒｆを抽出するように構成された抽出モジュール（抽出器）５６ｄをさらに含むことができる。抽出モジュール５６ｄは、スキャナー６０を用いてターゲット５を走査する機能を含んでもよい。スキャナー６０は、ストークス光パルス１１、ブロードバンドポンプ光パルス１２、およびナローバンドポンプ光パルス１３ａ、１３ｂを用いてターゲット５を走査し、各画素におけるＣＡＲＳスペクトル１５のセットを取得するように構成される。分析器５６は、共鳴成分Ｒｆを有する複数の画素によるターゲット５の画像（２次元画像）を生成する画像生成モジュール（画像生成器）５６ｅを含んでもよい。したがって、システム１は、ＣＡＲＳ分光法（ＣＡＲＳスペクトロスコピー）およびＣＡＲＳ顕微鏡法（ＣＡＲＳマイクロスコピー）の機能を有することができる。
【0027】
ＣＡＲＳ分光法では、システム１は、ストークス光１１およびポンプ光１２、１３の焦点またはスポットを移動させることにより、ターゲット５の深さプロファイルを生成することができる。したがって、スキャナー６０は、ストークス光パルス１１、ブロードバンドポンプ光パルス１２、およびナローバンドポンプ光パルス１３ａおよび１３ｂを用いてターゲット５を３次元的に走査し、各ボクセルにおけるＣＡＲＳスペクトル１５のセットを取得するように構成することができる。分析器５６は、共鳴特性Ｒｆを有する複数のボクセルによるターゲット５の３Ｄ画像を生成する３Ｄ画像生成モジュール（３Ｄ画像生成器）５６ｆを含んでもよい。したがって、システム１は、ＣＡＲＳ３Ｄ顕微鏡の機能を有することができる。
【0028】
ブロードバンドストークスパルス（ストークスビーム）１１を用いることにより、一度に多くの共鳴を励起し、ワンショットでフルスペクトルを記録することができる。したがって、ターゲット（サンプル）５を走査することにより、各ショットで各ピクセルまたはボクセルの広範囲のＣＡＲＳスペクトル（フルＣＡＲＳスペクトル）１５ａおよび１５ｂを取得することができ、短時間で２Ｄまたは３ＤのＣＡＲＳイメージングを行うことができる。また、本システム１を用いることで、組織等を含むターゲット５内の実際の位置で、画素またはボクセル毎にＬＯ信号と共鳴成分の両方を含むＣＡＲＳスペクトル１５ａおよび１５ｂを一度に得ることができる。ＬＯ信号と共鳴成分との間では、発生、光路、散乱、サンプルの不均一性、その他のアーチファクトの違いが解消されるため、システム１によって感度が向上したＣＡＲＳスペクトル（複数のスペクトル）を生成できる。
【0029】
図２は、非共鳴バックグラウンドＩＮＲの成分（図２（ｂ））、共鳴特徴Ｉｒｅｓの成分（図２（ｃ））、および干渉項の成分（図２（ｄ））を含む、典型的なＣＡＲＳスペクトル（光、信号、スペクトル、複数のスペクトル）ＩＣＡＲＳ（図２（ａ））を示す。分子感受性χ（３）は共鳴（振幅、周波数）と非共鳴（ｎｏｎｒｅｓ．）の寄与を含む分子の特性を示すため、分子感受性χ（３）の影響を受けたＣＡＲＳ電場ＥＣＡＲＳは、以下に示すように２つの電場ＥｒｅｓおよびＥＮＲから成る。ＥＮＲとＥｒｅｓの特性はそれぞれの感受性の成分によって決定され、共鳴寄与と非共鳴寄与の間に固有の位相ジャンプが発生する。ディテクター上で干渉する寄与は、典型的な分散型ＣＡＲＳのラインシェイプを引き起こす可能性がある。
【0030】
共鳴寄与と非共鳴寄与とは異なる位相（および偏光）特性を示す。したがって、共鳴電場と非共鳴電場とは異なる位相を持つが、位相情報は検出時に失われる。コヒーレントなリファレンスビーム（局部発振、ＬＯ）と信号とをオーバーラップさせる干渉法により検出するヘテロダイン検出を用いれば、異なる位相関係を利用して信号の振幅と位相を測定したり、以下に示すようにχ（３）の実部と虚部を分離したりすることができる。ヘテロダイン検出には、信号に対し一定の位相関係を持つコヒーレントで位相安定なＬＯと信号とをオーバーラップさせるステップと、ＬＯと信号との位相差をスキャンするステップとが含まれる。
【0031】
局所発振源は、第２焦点（非共鳴サンプル、非共振サンプル、ノンレゾナントサンプル）、外部レーザー、コヒーレントプロセス（ＮＯＰＡ／ＯＰＡ）またはブロードバンドレーザーのブルーウィング（ＳＢ－ＣＡＲＳ）から生成することができる。しかしながら、ＬＯ信号を得るためにはリファレンスを測定する必要があり、ＬＯ源とサンプル（ターゲット）との測定の切り替えに時間がかかる。また、レーザードラフトなどの光学系の切り替えによる揺らぎにより、非共鳴成分（ノンレゾナント成分、非共振成分）と共鳴成分とで測定条件が異なり、正確な測定が困難となる場合がある。したがって、局部発振用の体積（対象物）を用いるのではなく、被測定サンプル（ターゲット）のみを用いて局部発振（ＬＯ）を得ることが望ましい。
【0032】
図３～図６は、シミュレーションのいくつかの結果によって本発明の概念を示したものである。本発明者のシミュレーションの結果によれば、十分に広い帯域（波長範囲、ブロードバンド）のポンプ信号（ブロードバンドポンプ光パルス、第２プローブ光パルス）１２を用いることにより、共振（共鳴成分）が不鮮明になり、ターゲットサンプル５からＬＯ信号を取得することができる。したがって、ブロードバンドポンプ光パルス１２とともにナローバンドポンプ信号（ナローバンドポンプ光パルス、第１プローブ光パルス）１３をターゲットサンプル５に照射することにより、ＬＯ源とターゲットサンプルとの間で光学系を切り替えることなく、ヘテロダイン検出を用いて共鳴成分を得ることができる。
【0033】
図３に示すように、図３（ａ）のＦＷＨＭが３０ｎｍのブロードバンドポンプ光パルス１２とストークス光パルス１１の組み合わせにより、図３（ｂ）に示す非特異的なブロード信号１９ａが生成される。図３（ａ）のＦＷＨＭが２ｎｍのナローバンドポンプパルス１３とストークス光パルス１１の組み合わせにより、共鳴成分を含む信号１９ｄが得られる。図３（ｂ）に示す信号１９ｂおよび１９ｃは、それぞれＦＷＨＭが１０ｎｍおよび５ｎｍのポンプ光パルスを用いて得られる。
【0034】
図４に示すように、ブロードバンドポンプパルス１２によって得られるブロード（広い、大まか）な信号１９ａでは、共鳴が不鮮明になり、ブロードな信号１９ａを安定して常時得ることができる。したがって、ブロードバンド信号１９ａをＬＯ（局部発振、局部振動）信号として用いることができる。また、ブロードバンドポンプパルス１２にナローバンドポンプパルス１３を加えることにより、ＬＯ１９ａに共鳴成分１９ｄを持つＣＡＲＳ信号１５を得ることができる。この方法では、ブロードバンドポンプパルス１２によって生成されたＬＯ信号１９ａは、ナローバンドポンプパルス１３によって立ち上げられた共鳴成分（共振特性、共鳴の特徴、レゾナント成分）１９ｄを増幅することができるが、共鳴成分を取得するためのプローブパルスであるナローバンドポンプパルス１３は、位相差を利用して独立して制御することができる。信号１９ａ、１９ｄ間の共鳴成分の相対的な位相は、ナローバンドポンプパルス１３の位相を制御したり、干渉を制御することによって制御することができる。
【0035】
図５は、ブロードバンドポンプ光パルス１２とナローバンド光パルス１３ａおよび１３ｂを用い、ナローバンドポンプ光パルスの位相をそれぞれプラス・マイナスＰｉ／２（±π／２）変化させて生成したＣＲＡＳスペクトル１５ａおよび１５ｂの例を示す。図５に示すように、これらのＣＡＲＳスペクトル１５ａおよび１５ｂは、ＬＯ信号と共鳴成分とを合成または混合して作成され、応答成分は、ナローバンドポンプ光パルス１３ａおよび１３ｂの位相に応じてプラス変調信号およびマイナス変調信号としてＬＯ信号に実装または担持される。したがって、図６に示すように、取得した、これらのＣＡＳスペクトル１５ａおよび１５ｂ（ＣＡＲＳスペクトルのセット）を比較することにより、共鳴成分を抽出することができる。
【0036】
図７は、このヘテロダイン検出方法のプロセスの概要を示すフローチャートである。この方法は、ＣＡＲＳスペクトルの複数のセットを取得し（ステップ８１）、取得したＣＡＲＳスペクトルの複数のセットを比較することによって複数の共鳴成分（共鳴組成、共鳴特性）を抽出する（ステップ８２）ことを含む。ステップ８１では、複数のナローバンドポンプ光パルス１３の位相を変化させて、複数のストークス光パルス１１、複数のブロードバンドポンプ光パルス１２、および複数のナローバンドポンプ光パルス１３をターゲット５の一部５ａに照射することにより、ＣＡＲＳスペクトル１５の複数のセットを取得する。複数のブロードバンドポンプ光パルス１２は、複数のストークス光パルス１１とともに複数の局部発振（ＬＯ）信号を生成するように選択され、複数のナローバンドポンプ光パルス１３は、複数のストークス光パルス１１とともに複数の共鳴成分を含む複数の信号を生成するように選択される。
【0037】
本方法は、ターゲット５を走査するステップ（ステップ８３）をさらに含むことができる。ステップ８３では、複数のストークス光パルス１１、複数のブロードバンドポンプ光パルス１２、および複数のナローバンドポンプ光パルス１３を用いてターゲット５を走査し、各画素におけるＣＡＲＳスペクトル１５の複数のセットを取得してターゲット５の画像を生成する。ステップ８３は、ターゲット５の３Ｄ画像を生成するために各ボクセルでＣＡＲＳスペクトル１５の複数のセットを取得する３Ｄスキャンであってもよい。ステップ８４では、全ての画素（ピクセル）またはボクセル情報が得られるまで、上記のステップを繰り返すことができる。
【0038】
ブロードバンドポンプ光パルス１２によって生成されたＬＯ信号を使用する本発明のシステム１および方法においては、ブロードバンドポンプ光パルス１２とともにナローバンド光パルス１３を使用することによって、ターゲット５からＬＯ信号と共鳴成分とを同時に取得する。したがって、ＬＯ源としてのリファレンスが不要となり、さらに、リファレンスを測定する手間やそのための光学系が不要となる。また、リファレンスとサンプル（ターゲット）を切り替えるために、その測定の間に光学系の条件を変更したり、時間をかけたりする必要がないため、レーザードリフトなど測定系内の不安定要素の影響を大幅に低減できる。測定は、複数のナローバンドポンプ光パルス１３の位相を変化させるだけ（のみ）で行うことができる。したがって、この発明のシステム１は、本質的に干渉に関する安定性を有しており、この発明のシステム１およびヘテロダイン検出方法を用いることにより、ＣＡＲＳスペクトル（信号）中の共鳴成分に関する情報を高精度に得ることができ、これにより、ターゲットの成分に関する情報をより高精度に解析することができ、定性的な測定のみならず定量的な測定も可能となる。
【0039】
本発明のシステム１および方法では、これらのＬＯ信号をターゲット５から取得するため、リファレンスの測定が不要であり、ｋＨｚの位相スキャン／スイッチングレートが可能である。このシステム１およびこのヘテロダイン検出方法を使用すると、線形的な濃度依存性を有する情報を取得することができ、ブロードバンドポンプ光パルス１２によって生成されるＬＯ信号の強度によって信号増幅を制御することができる。なお、ＬＯ信号と共鳴信号は独立ではないことを留意すべきである。ＬＯ信号が強すぎてディテクター５０のダイナミックレンジを超える場合、ＬＯ信号を減らす唯一の方法はブロードバンドポンプ光パルスを減らすことであり、これは共鳴励起も減らすことになる。一方、本発明の概念は、以下に説明するように、ＴＤ－ＣＡＲＳと組み合わせることも理論的には可能である。ＴＤ－ＣＡＲＳを用いることにより、ＬＯ信号強度を低下させることなく、共鳴成分を抽出することができる。
【0040】
図８から図１３を用いて、本発明の概念をさらに説明する。これらの図は、シミュレーションによるいくつかの例を示している。図８は、ストークス光パルス１１と、ブロードバンドポンプパルス１２およびナローバンドポンプパルス１３のうちの１つを出射する光学系９０を示している。ストークス光パルス１１とナローバンドポンプパルス１３が放射された場合（図９（ａ））、ナローバンドポンプ（ナローバンドプローブ、第１のプローブ）パルス１３は、共鳴特性（共鳴成分）１６の鋭い特徴を含むＣＡＲＳスペクトル（散乱光、第１の散乱光）１５を生成する（図９（ｂ））。ストークスパルス１１とブロードバンドポンプパルス１２が放射された場合（図９（ｃ））、ブロードバンドポンプ（ブロードバンドプローブ、第２のプローブ）パルス１２は共鳴特性が不鮮明になった（消された、スメアードアウトされた）、非共鳴成分（特性）のみを含むＣＡＲＳスペクトル（散乱光、第２の散乱光）１５を生成する（図９（ｄ））。
【0041】
図１０は、図９に示した両方のアプローチを組み合わせるために、ストークス光パルス１１と、ブロードバンドポンプパルス１２およびナローバンドポンプパルス１３の両方とを同期して放射する光学系１０を示す。図１１（ａ）に示すように、ストークス光パルス１１はブロードバンドストークスビームを含む。ストークス光パルス１１は第１の波長範囲を有し、ブロードバンドポンプ光パルス１２は第１の波長範囲より短い第２の波長範囲を有し、ナローバンドポンプ光パルス１３は第２の波長範囲より狭く、第２の波長範囲の中心波長と同じ中心波長を有する第３の波長範囲を有する。
【0042】
図１１（ｂ）に示すように、ストークス光パルス（Ｓｔ）１１、ブロードバンドポンプ光パルス（ｐ１）１２およびナローバンドポンプ光パルス（ｐ２）１３が出力レンズを介してターゲットサンプルに同時に照射され、ターゲット上で時間的に重なると、あらゆる種類の相互作用が起こる（ｐ１／Ｓｔ、ｐ１／ｐ２、Ｓｔ／Ｓｔ、ｐ２／ｐ２など）。図１１（ｃ）に示すように、ブロードバンドポンプパルス１２は、ＬＯ信号として使用される、共鳴の特徴１９ａが消されたスペクトルを生成するポンプパルスとして機能する。ナローバンドポンプパルス１３は共鳴信号１９ｄを生成する。ブロードバンドポンプパルス１２とナローバンドポンプパルス１３とによって生成されるこれらの信号は、励起がどちらの場合もｐ１／Ｓｔ相互作用によるものであるため、完全に独立しているわけではない。しかしながら、ＬＯ信号に対してブロードバンドポンプパルス１２は二度使用されるため、ブロードバンドポンプパルス１２のパワーを変えることにより、相対的なＣＡＲＳ強度を制御することができる。
【0043】
ナローバンドポンプパルス１３の位相を変えることにより、独立した相対位相を持つ以下の２つの干渉ＣＡＲＳ信号を生成することができる。
（ａ）ｐ１／Ｓｔ＋ｐ１（ブロードバンドポンプ（プローブの位相の影響なし））
（ｂ）ｐ１／Ｓｔ＋ｐ２（ナローバンドポンプ（プローブ））
ナローバンドポンプパルス１３の位相を変えることにより、両者の相対的な位相を制御することができる。オプションとして、システム１はさらに、ナローバンドポンプパルス１３に対する時間的な遅延ステージを含むことができる。システム１は、ナローバンドポンプパルス１３を遮断する装置を含んでもよい。システム１は、測定や分析に役立つかどうかを確認するために必要なＬＯ信号のみを得るようにしてもよい。
（ａ）ｐ１／Ｓｔ＋ｐ１（ブロードバンドポンプ（プローブの位相の影響なし））
（ｂ）ｐ１／Ｓｔ＋ｐ２（ナローバンドポンプ（プローブ））
ナローバンドポンプパルス１３の位相を変えることにより、両者の相対的な位相を制御することができる。オプションとして、システム１はさらに、ナローバンドポンプパルス１３に対する時間的な遅延ステージを含むことができる。システム１は、ナローバンドポンプパルス１３を遮断する装置を含んでもよい。システム１は、測定や分析に役立つかどうかを確認するために必要なＬＯ信号のみを得るようにしてもよい。
【0044】
図１２は、複数のナローバンドポンプパルス（プローブパルス）１３の位相をｋＨｚで切り替えることを可能にするモジュレーター７０を含む光学システム１０を示している。この光学系１０を用いると、図１３（ａ）に示すように、逆の位相の共鳴成分を持つＣＡＲＳスペクトル（ＣＡＲＳ ｓｐｅｃｔｒａ）の複数のセットが得られる。比較することにより（差分、減算、比をとることにより）、図１３（ｂ）に示すように、共鳴成分（共鳴特性）を抽出することができる。システム１は、チョッパホイール等による付加的な振幅切り替え（ＬＯオン／オフ）を含んでもよい。
【0045】
図１４は、システム１の他の実施形態を示している。このシステム１の光学系１０は、複数のストークス光パルス１１、複数のブロードバンドポンプ光パルス１２および複数のナローバンドポンプ光パルス１３とともに、ナローバンドポンプ光パルス１３の波長範囲よりも短い波長範囲を有する複数のプローブ光（時間遅延プローブ光、ＴＤ－プローブ光、遅延プローブ光）パルス１４をターゲット５の一部５ａを照射するために供給するように構成された第４の光路２４をさらに含む。第４の光路２４は、プローブ光パルス１４を、ナローバンドポンプ光パルス１３に対して遅延したプローブ光パルスとして供給するための遅延素子（第２のモジュレーター）７５を含む。ディテクター５０は、ストークス光パルス１１、ブロードバンドポンプ光パルス１２、ナローバンドポンプ光パルス１３に加えて、遅延プローブ光パルス１３によって生成されたＴＤ－ＣＡＲＳスペクトル１７をＣＡＲＳスペクトル１５のセットとして検出するように構成されている。コントローラー５５内の分析器５６は、取得されたＴＤ－ＣＡＲＳスペクトル１５のこれらのセットを比較することにより、共鳴成分を抽出するように構成されている。
【0046】
分析器５０は、タイミングモジュール５６ｔを介してモジュレーター７５を制御するＴＤ－ＣＡＲＳ取得モジュール（ＴＤ－ＣＡＲＳ取得装置）５６ｂを含み、ストークス光１１およびポンプ光１２、１３のパルスの出射に対して相対的な時間的関係（遅延）Δｔをもってプローブ光１４を照射し、ストークス光１１とポンプ光１２、１３のパルスとプローブ光１４のパルスが実質的に重ならないようにターゲット５の一部５ａに照射することにより、ＴＤ－ＣＡＲＳスペクトル１７を取得する。モジュレーター７５は、時間遅延ステージ（時間遅延ユニット）７６を含んでもよく、遅延ステージ７６は、コリメーター７７と、プローブ光パルス１４の光路（光路の長さ）を変調するためのモーターやピエゾなどのアクチュエーター７８とを含んでもよい。
【0047】
レーザー光源３０は、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２、１３のための第１の波長１０４０ｎｍの複数の第１のレーザーパルス３０ａに加えて、プローブ光パルス１４のための第２の波長７８０ｎｍの複数の第２のレーザーパルス３０ｂを生成してもよい。これらの第２のレーザーパルス３０ｂは、ピコ秒オーダーのパルス幅を有するプローブ光１４のパルスを生成するために、数１０～数１００ｍＷの１～数１０ｐｓ（ピコ秒）オーダーのパルスを含むことができる。プローブ光１４のパルスのパルス幅ＰＷ２は、１～数１０ｐｓであってもよく、１～９０ｐｓであってもよく、１～５０ｐｓであってもよく、２～１０ｐｓであってもよい。また、波長７８０ｎｍの第２のレーザーパルス３０ｂは、波長１５６０ｎｍの光源発振器から発生させてもよい。
【0048】
図１５は、ＴＤ－ＣＡＲＳの概念の波長プラン（計画）の一例を示す。ストークス光パルス１１は、波長１０８５～１２３０ｎｍ（４００ｃｍ－１～１５００ｃｍ－１）の第１の範囲Ｒ１を有する。ブロードバンド（広い）ポンプ光パルス１２は、中心波長１０４０ｎｍを含む第２の波長範囲Ｒ２を有する。ナローバンド（狭い）ポンプ光パルス１３は、波長範囲が第２の範囲Ｒ２よりも狭く、第２の範囲Ｒ２の中心波長と同じ中心波長（１０４０ｎｍ）を有する第３の波長範囲Ｒ３を有する。ＣＡＲＳスペクトル（信号）１８は、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２、１３により、ナローバンドポンプ光（プローブ光である）パルス１３の波長から分子振動Ωに対応する波長に生成される。
【0049】
プローブ光パルス１４は、ナローバンドポンプ光パルス１３の第３の波長範囲Ｒ３よりも短い波長７８０ｎｍの第４の範囲Ｒ４を有する。ＴＤ－ＣＡＲＳ光（信号、スペクトル）１７は、波長６８０～７６０ｎｍの範囲を有する。プローブ光１４の波長範囲Ｒ４よりも短い波長範囲を有するＴＤ－ＣＡＲＳ１７が生成される。すなわち、ストークス光パルス１１およびポンプ光パルス１２、１３のみで発生するＣＡＲＳ光１８の波長範囲よりも短い波長範囲Ｒ４で時間差があるプローブ光パルス１４を用いることにより、ＣＡＲＳ光１８の波長範囲よりも短い波長範囲を有するＴＤ－ＣＡＲＳ１７が生成される。したがって、ＴＤ－ＣＡＲＳ１７とＣＡＲＳ１８とが干渉することがなく、ディテクター５０によって、ＣＡＲＳスペクトル１５のセットとして、ＣＡＲＳ光１８と干渉のない、明瞭なＴＤ－ＣＡＲＳ１７を検出することができる。
【0050】
複数のＴＤ－ＣＡＲＳ信号１７は、複数の時間遅延プローブ光パルス１４によって生成される。非共鳴成分は遅延中に減衰するため、ＴＤ－ＣＡＲＳ信号１７では共鳴成分が比較的強く現れる。したがって、ＣＡＲＳ信号１８中のブロードバンドポンプ光パルス１２によって生成されるＬＯ信号が非常に高い場合、ＴＤ－ＣＡＲＳ信号１７に変換することによって非共鳴成分（ＬＯ）が減衰し、ＴＤ－ＣＡＲＳ信号１７をＣＡＲＳスペクトル１５のセットとして使用することによって、共鳴成分１６をより明確かつ正確に抽出することができると考えられる。
【0051】
上述したように、ヘテロダイン検波を適応させるための方法およびシステムが提供される。開示されたヘテロダイン検出は、前方散乱ＣＡＲＳおよび後方散乱ＣＡＲＳを含むあらゆる種類のＣＡＲＳ測定に適用可能である。開示されたヘテロダイン検出は、複数ビームシステムを使用することにより、共鳴成分（レゾナント成分）１６を得るべき同じサンプル（ターゲット）５からＬＯ信号を得ることができる。
【0052】
本明細書に記載の方法およびシステムは、生体の関心対象の生化学的および構造的特性評価、特に生体の関心対象の生化学的組成の侵襲的および非侵襲的評価ならびにそのアプリケーションに適用することができる。本明細書に記載された方法およびシステムは、あらゆる種類のサンプル（試料）に適用可能であり、生化学とは無関係な溶液のような単純なサンプルにも適用可能である。
【0053】
本明細書では、共鳴成分（レゾナント成分）を含む散乱光を発生させるために、第１の光パルスをサンプルに供給するように構成された第１の光路と、共鳴成分を含む第１の散乱光を発生させるために、第１のプローブ光波長を有する第１のプローブ光パルスをサンプルに供給するように構成された第２の光路と、第１のプローブ光パルスの波長よりも広い波長域の第２のプローブ光パルスをサンプルに供給し、ＬＯ（局部発振発信）として機能する第２の散乱光を生成するように構成された第３の光路と、第１の光パルス、第１のプローブ光パルスおよび第２のプローブ光パルスを対象サンプル（ターゲットのサンプル）に照射し、対象サンプルからの散乱光を取得するように構成された光入出力ユニットと、第１の散乱光および第２の散乱光から共鳴成分を取得するように構成された分析器とを備えるシステムを開示している。第１のプローブ光の波長を有する第１のプローブ光パルスを用いることにより、共鳴成分と非共鳴成分とを有する第１の散乱光がターゲットサンプルから取得され、第１のプローブ光の波長を含めて第１のプローブ光パルスの波長よりも広い波長範囲を有する第２のプローブ光パルスを用いることにより、ＬＯとして機能する第２の散乱光を生成し、ターゲットサンプルから取得できる。したがって、本システムでは、異なる励起方式を組み合わせることにより、同一のターゲットサンプルからのＬＯが取得される。
【0054】
システムは、第１のプローブ光パルスの位相を変化させるように構成された第１の変調ユニットをさらに含むことができる。一実施形態では、第１の光路は、第１の波長範囲を有する第１の光パルスとしてストークス光パルスを供給するように構成されてもよく、第２の光路は、第１の波長範囲よりも短い第２の波長範囲を有する第１のプローブ光パルスとして機能する第１のポンプ光パルスを供給するように構成されてもよく、第３の光路は、第１の波長範囲よりも短い第３の波長範囲を有する第２のプローブ光パルスとして機能する第２のポンプ光パルスを供給するように構成されてもよく、分析器は、ターゲットサンプルからＣＡＲＳ信号の共鳴成分を取得するように構成されてもよい。
【0055】
別の実施形態では、第１の光路は、第１の波長範囲を有する第１の光パルスとしてストークス光パルスを供給するように構成されてもよく、システムは、第１の波長範囲よりも短い波長範囲を有するポンプ光パルスを供給するように構成された光路をさらに備える。第２の光路は、上記ポンプ光パルスの波長範囲よりも短い第２の波長範囲を有する第１のプローブ光パルスを供給するように構成されてもよく、第３の光路は、上記ポンプ光パルスの波長範囲よりも短い第３の波長範囲を有する第２のプローブ光パルスを供給するように構成されてもよく、分析器は、ターゲットサンプルからＴＤ－ＣＡＲＳ信号の共鳴成分を取得するように構成されてもよい。さらに別の実施形態では、第１の光路は、チャープパルス増幅器を含んでもよい。本方法は、第１のプローブ光パルスの位相を変化させるために第１のプローブ光パルスを変調することを含んでもよい。
【0056】
本明細書では、方法も開示している。この方法は、（ｉ）第１の光パルス、第１のプローブ光パルスおよび第２のプローブ光パルスを一緒にターゲットサンプルに照射することを有し、第１の光パルスは、共鳴成分を含む散乱光を発生させるためのものであり、第１のプローブ光パルスは、共鳴成分を有する第１の散乱光を発生させるための第１のプローブ光波長を有し、第２のプローブ光パルスは、第１のプローブ光波長を含めて、ＬＯとして機能する第２の散乱光を発生させるための第１のプローブ光パルスの波長よりも広い波長範囲を有し、（ｉｉ）ターゲットサンプルから取得された第１の散乱光および第２の散乱光から共鳴成分を取得することとを含む。この方法は、第１のプローブ光パルスの位相を変化させるために第１のプローブ光パルスを変調することをさらに含むことができる。
【0057】
照射することは、第１の波長範囲を有する第１の光パルスとしてストークス光パルスを供給することと、第１の波長範囲よりも短い第２の波長範囲を有する第１のプローブ光パルスとして機能する第１のポンプ光パルスを供給することと、第１の波長範囲よりも短い第３の波長範囲を有する第２のプローブ光パルスとして機能する第２のポンプ光パルスを供給することとを含んでもよい。取得することは、ターゲットサンプルからＣＡＲＳ信号の共鳴成分を取得することを含んでもよい。
【0058】
照射することは、第１の波長範囲を有する第１の光パルスとしてストークス光パルスを供給することと、第１の波長範囲よりも短い波長範囲を有するポンプ光パルスを供給することと、上記ポンプ光パルスの波長範囲よりも短い第２の波長範囲を有する第１のプローブ光パルスを供給することと、上記ポンプ光パルスの波長範囲よりも短い第３の波長範囲を有する第２のプローブ光パルスを供給することと、を含んでもよい。取得することは、ターゲットサンプルからＴＤ－ＣＡＲＳ信号の共鳴成分を取得することを含み得る。
【0059】
本明細書では、装置を動作させるコンピューターのためのコンピュータープログラム（プログラム製品）が開示されている。この装置は共鳴成分を含む散乱光を発生させるためにサンプルに第１の光パルスを供給するように構成された第１の光路と、共鳴成分を含む第１の散乱光を発生させるためにサンプルに第１のプローブ光波長の第１のプローブ光パルスを供給するように構成された第２の光路と、ＬＯとして機能する第２の散乱光を生成するために第１のプローブ光の波長を含み、第１のプローブ光の波長よりも広い波長範囲を有する第２のプローブ光パルスをサンプルに供給するように構成された第３の光路と、第１の散乱光と第２の散乱光を検出するように構成された分析器とを有する。コンピュータープログラムは、第１の光パルス、第１のプローブパルスおよび第２のプローブパルスを一緒にターゲットサンプルに照射するステップと、第１の散乱光および第２の散乱光から共鳴成分を取得するステップとを実行するための実行可能コードを含む。
【0060】
具体的な実施形態に関する前述の説明は、本明細書における実施形態の一般的な性質を十分に明らかにするので、他者は、現在の知識を適用することによって、一般的な概念から逸脱することなく、そのような具体的な実施形態を様々な用途のために容易に修正および／または適合させることができ、したがって、そのような適合および修正は、開示された実施形態の意味および等価物の範囲内で理解されるべきであり、理解されることが意図される。本明細書で採用される言い回しまたは用語は、説明のためのものであり、限定するためのものではないことを理解されたい。従って、本明細書における実施形態は、好ましい実施形態の観点から説明されているが、当業者であれば、本明細書における実施形態は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内で変更を加えて実施することができることを認識するであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】