特許 7755209 光源

(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】2025-10-07

(45)【発行日】2025-10-16

(54)【発明の名称】光源

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/65 20060101AFI20251008BHJP

【ＦＩ】

G01N21/65

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2024528037

(86)(22)【出願日】2022-06-16

(86)【国際出願番号】 JP2022024174

(87)【国際公開番号】W WO2023243052

(87)【国際公開日】2023-12-21

【審査請求日】2024-11-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】ＮＴＴ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石橋 茂雄

【審査官】伊藤 裕美

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２２／００９４３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／２４５９９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／０７９７８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第２９８２９４７（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２４７４４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１７５６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３７７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】SYLVESTRE, T. et al.，Recent advances in supercontinuum generation in specialty optical fibers [invited]，Journal of the Optical Society of America B，2021年10月25日，Vol.38, No.12，F90-F103，https://doi.org/10.1364/JOSAB.439330

【文献】KLIMCZAK, Mariusz et al.，Direct comparison of shot-to-shot noise performance of all normal dispersion and anomalous dispersio，Scientific Reports，2016年01月13日，6, 19284，1-14，www.nature.com/scientificreports

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／６５

Ｈ０１Ｓ ３／００－３／３０

Ｇ０２Ｆ １／００－１／３９

Ｇ０２Ｂ ２１／００－２１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ラマン散乱分光法のための光源であって、
中心波長λ_ｓのフェムト秒光パルス列を出力するモード同期レーザーと、
前記フェムト秒光パルス列をパワーについて、第１のフェムト秒光パルス列および第２のフェムト秒光パルス列の二系統に分岐させる分波器と、
連続光を出力する定常発振固体レーザーと、
前記定常発振固体レーザーから出力された前記連続光を透過し、前記第１のフェムト秒光パルス列を反射して、前記連続光と前記第１のフェムト秒光パルス列を同軸上に出力する第１の合波器と、
前記連続光と前記第１のフェムト秒光パルス列との差周波発生によって、中心波長λ_ｃのピコ秒光パルスからなる差周波発生変換光パルス列を出力させる少なくとも１つの波長変換素子を含む二次非線形光学素子と、
前記差周波発生変換光パルス列を増幅する増幅器と、
前記第２のフェムト秒光パルス列をスーパーコンティニューム光パルス列に変換する偏波保持型全正常分散高非線形ファイバーと、
前記スーパーコンティニューム光パルス列を、前記増幅器から出力される前記差周波発生変換光パルス列のパルス幅とほぼ同じパルス幅に変換する第１の分散媒体と、
前記増幅器から出力される前記差周波発生変換光パルス列と前記第１の分散媒体から出力される前記スーパーコンティニューム光パルス列を合波して出力する第２の合波器と、
を備え、
前記増幅器から出力される前記差周波発生変換光パルス列と前記スーパーコンティニューム光パルス列によりコヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱測定が行えるよう前記中心波長λ_ｓと前記中心波長λ_ｃが設定される光源。

【請求項2】

前記二次非線形光学素子が、
長さの異なる複数の前記波長変換素子と、
前記複数の前記波長変換素子の入力側に設置され、入力される光を、特定の前記波長変換素子に誘導するスイッチ機構と、
をさらに備える、請求項１に記載の光源。

【請求項3】

前記二次非線形光学素子と前記増幅器の間に設置され、前記二次非線形光学素子から出力される前記差周波発生変換光パルス列にチャープを与えることにより、パルス幅を伸長させる第２の分散媒体をさらに備える、請求項１または２に記載の光源。

【請求項4】

前記モード同期レーザーのレーザー媒質が、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ、Ｃｒフォルステライト、Ｔｉサファイア、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、またはＣｒ：ＺｎＳ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、およびＨｏなどから選択される１つの希土類イオンを添加したＹＡＧ、ＹＶＯ_４、ガラス（バルクおよびファイバー）、または、半導体結晶のいずれかである、請求項１に記載の光源。

【請求項5】

前記モード同期レーザーを構成するゲイン媒体の形状が、ロッド、ディスク、またはファイバーのいずれかである、請求項１に記載の光源。

【請求項6】

前記増幅器は、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、およびＨｏなどから選択される１つの希土類イオンを添加したガラスファイバー増幅器、または一部にＹｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、およびＨｏなどから選択される１つの希土類イオンを添加した単結晶ファイバー増幅器のいずれかである、請求項１に記載の光源。

【請求項7】

前記定常発振固体レーザーが、ガラスファイバーレーザー、バルク形状の単結晶レーザー、バルク形状のセラミクスレーザー、導波路型の単結晶レーザー、導波路型のセラミクスレーザー、または半導体レーザーのいずれかである、請求項１に記載の光源。

【請求項8】

前記二次非線形光学素子に含まれる前記波長変換素子が、周期分極反転ニオブ酸リチウム、周期分極反転タンタル酸リチウム、または周期分極反転ＫＴＰ結晶のいずれかである、請求項１に記載の光源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光源に関し、より具体的には、第二高調波発生、第三高調波発生およびコヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱などを検出するための、ラマン散乱分光法による分析および観察のための光源に関する。

【背景技術】

【0002】

ラマン散乱分光法は、分子、結晶、アモルファス構造などの振動情報を得る手段として、化学、生物学、医学、薬学、農学、および物理学などの多くの学術分野において広く用いられており、医療や産業においても広く実用化されている。古典的なラマン散乱分光法は、自発ラマン散乱を応用している。自発ラマン散乱は、入射光に対して分子振動または格子振動の周波数だけシフトした周波数の散乱光を生じる現象である。この散乱光は元の入射光のパワーに比べて非常に弱いパワーを有するため、検出器により測定可能な散乱光を得るためには、高いパワーを持つ入射光の光源が必要である。しかしながら、ほとんどの測定試料は照射可能な単位面積当たりパワーに上限があり、それを超えると変質もしくは破壊される。多くの場合、上限に相当するパワーの光源を用いても散乱光は弱く、高いＳＮ比の信号を取得するためには、著しく長い測定時間が必要である。これに対し、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering：以下、ＣＡＲＳという）は、瞬時パワーが高い光源による非線形光学過程であるため、自発ラマン散乱に比べて、同等のパワーの光源を用いた場合、格段にラマン散乱光のパワーが強く、結果として短い時間での測定が可能となる。

【0003】

光源としてのパルスレーザーの開発に伴うＣＡＲＳ測定の発展は著しく、特に、顕微鏡画像を取得する場合、その効果は顕著である。また、瞬時パワーの高いパルスレーザーを光源に用いる場合、ＣＡＲＳのみならず、第二高調波発生（Second Harmonic Generation：以下、ＳＨＧという）および第三高調波発生（Third Harmonic Generation：以下、ＴＨＧという）も同時に検出できる。このような構成を有する顕微鏡は、マルチモーダル非線形光学顕微鏡と呼ばれ、生命科学、医学および薬学において多くの利用方法が提唱されており、今後も更なる開発が望まれている（例えば、非特許文献１参照）。

【0004】

生物および生体関連物質をラマン散乱分光の測定対象とする場合、重要な波数領域が２つあり、１つは指紋領域と呼ばれる波数５００ｃｍ^－１から１８００ｃｍ^－１の領域、もう一つは、炭素－水素（Ｃ－Ｈ）結合、窒素－水素（Ｎ－Ｈ）結合、又は酸素－水素（Ｏ－Ｈ）結合による波数２８００ｃｍ^－１から４０００ｃｍ^－１の領域である（例えば、非特許文献１、１３参照）。ＣＡＲＳ分光を測定する場合には、上記の領域の波数に対応した波数の差を持つ２つの波長の光（２つの光の波長の差が上記の領域の波数に対応した波数となっている）を被測定対象（試料）に入射する。

【0005】

図１は、従来技術によるＣＡＲＳ光源１０の構造を概念的に示す図である。図１に示される通り、従来技術によるＣＡＲＳ光源１０は、ポンプ光／プローブ光源１１と、ストークス光源１２と、ポンプ光／プローブ光源１１とストークス光源１２を電気的に接続し、パルスタイミングを同期させる電気信号経路１３と、ポンプ光／プローブ光源１１およびストークス光源１２から出力されるレーザーを合波する合波器１４と、を含む（例えば、非特許文献２参照）。ここでは例として、ポンプ光／プローブ光源１１は、Ｔｉサファイアレーザーとし、波長が０．７３μｍ、パルス波長帯域が０．１１ｎｍ、パルス幅が５ｐｓ、繰り返し周波数が８０ＭＨｚのピコ秒パルス列を出力する。一方、ストークス光源１２もＴｉサファイアレーザーであり、中心波長が０．８０μｍ、パルス波長帯域が８０ｎｍ、パルス幅が１２ｆｓ、繰り返し周波数が８０ＭＨｚのフェムト秒光パルス列を出力する。これら二系統の光パルス列は、合波器１４により合波され、顕微鏡１５に同一光路で入力される。この二系統の光パルスが同時に試料に照射されることにより、試料からＣＡＲＳ信号が得られる。ここで、試料面上にいたる光路中の光学分散により、ストークス光のパルス幅は１．５４ｐｓに広がる。

【0006】

図２は、ＣＡＲＳ分光を測定する場合における、試料の分子のエネルギーダイアグラムを示す図である。図２に示されるように、ＣＡＲＳ分光を測定する場合、ポンプ光（角周波数ω_１）、ストークス光（角周波数ω_２）、プローブ光（角周波数ω_３）を入射することによって、試料の分子の持つ振動モードの角振動数Ωに対応するＣＡＲＳ光（角周波数ω_ＣＡＲＳ）が発生する。図１に示される従来技術の例は、同一のピコ秒パルス列をポンプ光とプローブ光として用い（すなわち、ω_１＝ω_３）、広帯域のフェムト秒光パルス列をストークス光として用いるような形態である。このため、多数の振動モードが励振され、広帯域のＣＡＲＳ光を測定することが可能であり、このような分光は、マルチプレックスＣＡＲＳ過程と呼ばれる（例えば、非特許文献３参照）。

【0007】

ここで、光源から入力される入射光の平均パワーとＣＡＲＳ信号の信号強度との関係を述べる。角周波数ωの光パルスの時刻ｔ、位置ｘ_ｉ（ｉ＝１、２または３）における単位面積当たりの光の強度をＩ_ω（ｔ，ｘ_ｉ）（Ｗ／ｍ^２）とする。また、ピーク強度Ｉ_ω・０（Ｗ／ｍ^２）、パルス幅τ（ｓ）、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ（Ｈｚ）、平均パワーＰ_ω・ａｖ（Ｗ）、および発振波長λ（μｍ）（λ＝２πｃω^－１，ｃ：光速）とし、デューティ比Ｄを（式１）で定義する。

【0008】

【数1】

【0009】

さらに、ビーム焦点面積Ａは、可能な最小値と設定すれば波長λの２乗に比例することになるため、次の（式２）で表すことができる。

【0010】

【数2】

【0011】

これらより、入射光の平均パワーＰ_ω・ａvには、（式３）で示される比例関係が成り立つ。

【0012】

【数3】

【0013】

また、ＣＡＲＳ信号のパワーＰ_{ＣＡＲＳ・ａｖ}は、ポンプ光、プローブ光、ストークス光の各々のピーク強度、ＣＡＲＳ光のビーム焦点面積、およびポンプ光、プローブ光、ストークス光の各々のデューティ比のうち最小のデューティ比の５要素の積に比例する。ポンプ光およびプローブ光の波長をλ₁、ストークス光の波長をλ_３とすれば、ＣＡＲＳ光のビーム焦点面積はおおむねλ₁の2乗に比例する。これらから次の（式４）が成り立つ。

【0014】

【数4】

【0015】

すなわち、ＣＡＲＳ測定で得られるＣＡＲＳ信号のパワーは、入射光（ポンプ光、ストークス光等）各々の平均パワー、波長およびデューティ比に依存する。

【0016】

ＣＡＲＳ測定を用いて生体組織を観察する場合、試料となる組織を損傷させない条件を選定することが重要である。既存の報告によれば、入射光によって生体組織が損傷する場合、その入射光のパワーに対して線形応答である機構と、より高次の応答である機構の２つが存在することが示されている（例えば、非特許文献４参照）。線形応答の機構に対しては、これによる損傷を回避するために総入射パワーの上限を設定する必要がある。この場合、（式４）より、デューティ比Ｄを小さくすることが高いＣＡＲＳ信号を得るために有効であることがわかる。しかしながら、総入射パワーを一定に保ちながらＤを小さくすることは、パルスピークパワーの増大につながるため、高次の応答を示す機構による損傷が懸念される。既存の報告によれば、パルス幅２．５ｐｓに対する最適な繰り返し周波数は１－４ＭＨｚとされている（例えば、非特許文献４参照）。したがって、図１に示される従来技術のように、繰り返し周波数８０ＭＨｚの典型的な固体モード同期レーザーを用いる場合は工夫が必要であり、そのような施策の一つとして、ライン照明を用いる方法が導入されている（例えば、非特許文献５参照）。

【0017】

図３は、ライン照明を用いたＣＡＲＳ顕微鏡の原理を概念的に示す図であり、図３（ａ）は、ＣＡＲＳ顕微鏡における分光器ＣＣＤ面上の情報割り当てを示す図であり、図３（ｂ）は、ＣＡＲＳ顕微鏡における楕円焦点とそのスキャン方向を示す図である。上述したライン照明を用いる方法では、図３（ａ）に示される顕微鏡の分光器に取り付けられた２次元ＣＣＤ３１の１軸をライン上のＹ軸位置、もう１軸を分光スペクトルとなるよう光学系を設定する。そして、入射光であるレーザー光を対象となる試料の１ライン上で高速スキャンすることで、１ピクセルに対する実質的な繰り返しを落とす。なお、Ｘ軸およびＺ軸の掃引は、ピエゾステージを用いて試料を移動させることにより行われる。この場合、１ピクセル当たりの平均パワーを保つためにレーザーパワーをポイント掃引に比べて増加させるが、それにより高次の応答による損傷の恐れが生じる。既存の報告では、パルスピーク強度を２０ＧＷ／ｃｍ^２以下に設定することが必要と述べられている（例えば、非特許文献２参照）。そこで、ライン照明を用いたＣＡＲＳ顕微鏡では、図３（ｂ）に示される通り、焦点位置でこの値を超えることがないよう、焦点におけるビーム３２の形状を楕円に設定する手法がとられていた。

【0018】

しかしながら、線形吸収による損傷閾値や高次応答による損傷閾値は、生体組織の種類によって異なるため、場合によっては必要以上にピーク強度が落ちてＣＡＲＳ発生効率が不十分になり得るという課題がある。

【0019】

さらにポンプ光、プローブ光、ストークス光に用いる波長がＴｉサファイアレーザーの発振波長に限定されるため、測定可能なラマン散乱の帯域が１２５０ｃｍ^－１に制限され得る（例えば、非特許文献２参照）。生物および生体関連物質を測定する場合、実用上は４００－４０００ｃｍ^－１程度の測定帯域が望まれる。そこで、スーパーコンティニューム光をストークス光に用いて広いラマン散乱の帯域を測定可能にする技術が知られている（例えば、非特許文献１、３、１３参照）。これら従来のＣＡＲＳ顕微鏡では異常分散を持つ高非線形ファイバーにより発生させたスーパーコンティニューム光を用いている。この発生方法は発生波長帯域が広いことにメリットがあるが、パルスごとのスペクトル形状が大きく異なり、低いＳＮ比を持つことが知られている（例えば、非特許文献１２参照）。これを改善する方法として、偏波保持型全正常分散高非線形（以下、ＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬという）ファイバーに対し、１００ｆｓ以下の理想的なパルス（低いパワーのペデスタル成分やパルス前後のサブピークが無い）を入射することにより、パルスごとの差異が小さく、高いＳＮ比を持つスーパーコンティニューム光が得られることが知られている（例えば、非特許文献１０、１１、１２参照）。このようなＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬファイバーを用いて得られるスーパーコンティニューム光は波長帯域が比較的狭いことが課題である（例えば、非特許文献１１参照）。既存の報告例では波長１．０４９μｍのポンプ光により最長波長１．３９μｍのスーパーコンティニューム光が発生されている（例えば、非特許文献１０参照）が、これをＣＡＲＳ顕微鏡に用いても２３００ｃｍ^－１までのラマン散乱しか測定できない。そこで、ＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬファイバーを用いて得られるスーパーコンティニューム光により４０００ｃｍ^－１程度まで安定して測定できる光源構成が求められている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0020】

【文献】Hiroaki Yoneyama et al., “Invited Article: CARS molecular fingerprinting using sub-100-ps microchip laser source with fiber amplifier”, APL Photonics 3, 092408 (2018)

【文献】Shun Kizawa et al., “Ultrahigh-speed multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering microspectroscopy using scanning elliptical focal spot”, J. Chem. Phys., 155, 144201 (2021)

【文献】加納英明， 「スーパーコンティニューム光を用いた非線形光学イメージング」，応用物理，第86巻, 第3号, pp.186-193, (2017)

【文献】Y. Fu et al. “Characterization of photodamage in coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy”, Opt. Express 14, 3942-3951 (2006).

【文献】Ian Seungwan Ryu, et al., “Beam scanning for rapid coherent Raman hyperspectral imaging, ” Opt. Lett. 40, 5826-5829 (2015)

【文献】Z. Zhang et al., “Self-starting mode-locked Cr4+:YAG laser with a low-loss broadband semiconductor saturable-absorber mirror”, Opt. Lett., Vol.24, No.23, pp.1768-1770， (1999)

【文献】貫彰太, 「新規レーザ及び非線形光学材料の屈折率精密測定」，中央大学理工学部電気電子情報通信工学専攻修士論文要旨 (2013)

【文献】E. Sidick et al., “Ultrashort-pulse second-harmonic generation. I. Transform-limited fundamental pulses”, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 12, pp.1704-1712 (1995)

【文献】忠永修 他, 「擬似位相整合LiNbO3リッジ導波路による高効率中赤外差周波発生」, レーザー研究, 第36巻, 第2号, pp.64-69, (2008)

【文献】Etienne Genier et al., “Ultra-flat, low-noise, and linearly polarized fiber supercontinuum source covering 670-1390 nm”, Opt. Lett. 46, 1820-1823 (2021)

【文献】Thibaut Sylvestre et al., “Recent advances in supercontinuum generation in specialty optical fibers.”, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 38, F90-F103 (2021).

【文献】Mariusz Klimczak et al., “Direct comparison of shot-to-shot noise performance of all normal dispersion and anomalous dispersion supercontinuum pumped with sub-picosecond pulse fiber-based laser.” Sci. Rep. 6, 19284 (2016).

【文献】Daiki Kaneta et al.,“Visualization of water concentration distribution in human skin by ultra-multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy”, Appl. Phys. Express 14, 042010 (2021).

【発明の概要】

【0021】

本開示は、上記のような課題に対して鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、試料（とりわけ、生体組織の試料）の種類に対し、高いロバスト性を有するラマン散乱分光法による分析および観察（とりわけ、ＣＡＲＳ顕微鏡による観察）を実現するための光源を提供することにある。

【0022】

上記のような課題に対し、本開示では、ラマン散乱分光法のための光源であって、中心波長λ_ｓのフェムト秒光パルス列を出力するモード同期レーザーと、フェムト秒光パルス列をパワーについて、第１のフェムト秒光パルス列および第２のフェムト秒光パルス列の二系統に分岐させる分波器と、連続光を出力する定常発振固体レーザーと、定常発振固体レーザーから出力された連続光を透過し、第１のフェムト秒光パルス列を反射して、連続光と第１のフェムト秒光パルス列を同軸上に出力する第１の合波器と、連続光と第１のフェムト秒光パルス列との差周波発生によって、中心波長λ_ｃのピコ秒光パルスからなる差周波発生変換光パルス列を出力させる少なくとも１つの波長変換素子を含む二次非線形光学素子と、差周波発生変換光パルス列を増幅する増幅器と、第２のフェムト秒光パルス列をスーパーコンティニューム光パルス列に変換する偏波保持型全正常分散高非線形ファイバーと、スーパーコンティニューム光パルス列を、増幅器から出力される差周波発生変換光パルス列のパルス幅とほぼ同じパルス幅に変換する第１の分散媒体と、増幅器から出力される差周波発生変換光パルス列と第１の分散媒体から出力されるスーパーコンティニューム光パルス列を合波して出力する第２の合波器と、を備え、増幅器から出力される差周波発生変換光パルス列とスーパーコンティニューム光パルス列によりコヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱測定が行えるよう中心波長λ_ｓと中心波長λ_ｃが設定される光源を
提供する。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】従来技術によるＣＡＲＳ光源１０の構造を概念的に示す図である。

【図2】ＣＡＲＳ分光を測定する場合における、試料の分子のエネルギーダイアグラムを示す図である。

【図3】ライン照明を用いたＣＡＲＳ顕微鏡の原理を概念的に示す図であり、図３（ａ）は、ＣＡＲＳ顕微鏡における分光器ＣＣＤ面上の情報割り当てを示す図であり、図３（ｂ）は、ＣＡＲＳ顕微鏡における楕円焦点とそのスキャン方向を示す図である。

【図4】本開示による光源４０の構造を概念的に示す図であり、（ａ）は、二次非線形光学素子４５において、入力される光が波長変換素子４５１ｂを伝播する形態を、（ｂ）は、二次非線形光学素子４５において、入力される光が波長変換素子４５１ａを伝播する形態を、それぞれ示している。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下に、図面を参照しながら本開示の種々の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の参照符号は同一または類似の要素を示し重複する説明を省略する場合がある。材料および数値は例示を目的としており本開示の技術的範囲の限定を意図していない。以下の説明は、一例であって本開示の一実施形態の要旨を逸脱しない限り、一部の構成を省略若しくは変形し、または追加の構成とともに実施することができる。

【0025】

本開示による光源は、図３に示されるような、ライン照明を用いたＣＡＲＳの光源を主な対象の一つとして掲げており、このライン照明を用いること自体は、上述の通り既知の技術である。しかしながら、１ピクセル当たりの平均パワーを保つために、レーザーパワーをポイント掃引に比べ増加させた場合においてもピークパワーが基準値を下回るように、ポンプ光（またはプローブ光）およびストークス光のパルス幅が可変となるように構成されているという点で、従来技術とは異なる。

【0026】

図４は、本開示による光源４０の構造を概念的に示す図であり、（ａ）は、二次非線形光学素子４５において、入力される光が波長変換素子４５１ｂを伝播する形態を、（ｂ）は、二次非線形光学素子４５において、入力される光が波長変換素子４５１ａを伝播する形態を、それぞれ示している。図４に示される通り、光源４０は、中心波長λ_ｓのフェムト秒パルスレーザーを出力するモード同期レーザー４１と、フェムト秒光パルス列をパワーについて二系統に分岐させる分波器４２と、波長λ_ｐの連続光を出力する定常発振（以下、ＣＷという）固体レーザー４３と、ＣＷ固体レーザー４３から出力された連続光を透過し、分波器４２によって二分岐されたフェムト秒光パルス列の一方を反射して、波長λ_ｐの連続光と中心波長λ_ｓのフェムト秒光パルス列を同軸上に出力する合波器４４ａと、波長λ_ｐの連続光と中心波長λ_ｓのフェムト秒光パルス列との差周波発生によって、フェムト秒光パルス列をピコ秒パルスからなる中心波長λ_ｃの差周波発生変換光パルス列に変換する二次非線形光学素子４５と、差周波発生変換光パルス列を増幅する増幅器４６と、分波器４２によって分岐されたもう一系統の中心波長λ_ｓのフェムト秒光パルス列に対し、ＣＡＲＳ顕微鏡に必要な波数域を持つスーパーコンティニューム光（以下、ＳＣ光という）に変換するＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬファイバー４７と、当該ＳＣ光パルス列を、増幅器４６から出力される差周波発生変換光パルス列のパルス幅とほぼ同じパルス幅を有するＳＣ光パルス列に変換する分散媒体４８と、増幅器４６および分散媒体４８の各々から出力される光パルス列を合波し、顕微鏡１５に入力する合波器４４ｂと、を含む。

【0027】

なお、図４に示されるように、本開示による光源４０において、二次非線形光学素子４５は、波長変換素子４５１ａ、ｂを含む。図中では、２つの波長変換素子を含むように描写されているが、この波長変換素子は、１つまたは複数であってよく、複数の場合、設計に応じて各々の長さは異なってよい。また、波長変換素子が複数の場合、二次非線形光学素子４５は、入力される光（波長λ_ｐの連続光と中心波長λ_ｓのフェムト秒光パルス列を合波）を、特定の波長変換素子に誘導するためのスイッチ機構４５２をさらに含み得る。

【0028】

また、図４に示されるように、本開示による光源４０は、二次非線形光学素子４５と増幅器４６の間に設置され、二次非線形光学素子４５から出力される差周波発生変換光パルス列にチャープを与えることによりパルス幅を伸長させる第２の分散媒体４９をさらに含んでもよい。

【0029】

本開示による光源４０では、モード同期レーザー４１のレーザー媒質は、例えば、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ、Ｃｒフォルステライト、Ｔｉサファイア、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、またはＣｒ：ＺｎＳなどであり得る。他の例では、モード同期レーザー４１のレーザー媒質は、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、およびＨｏなどから選択される１つの希土類イオンを添加したＹＡＧ、ＹＶＯ_４、またはガラス（バルクおよびファイバー）であり得る。また、他の例では、モード同期レーザー４１のレーザー媒質は、半導体結晶であり得る。

【0030】

本開示による光源４０では、モード同期レーザー４１を構成するゲイン媒体の形状は、ロッド、ディスク、またはファイバーであり得る。

【0031】

本開示による光源４０では、分波器４２は、入力された光のパワーを２つに分離して、一方を反射し、他方を透過する、ハーフミラーまたはビームスプリッタキューブであり得る。

【0032】

本開示による光源４０では、ＣＷ固体レーザー４３が、ガラスファイバーレーザー、バルク形状の単結晶レーザー、バルク形状のセラミクスレーザー、導波路型の単結晶レーザー、導波路型のセラミクスレーザー、または半導体レーザーであり得る。

【0033】

本開示による光源４０では、合波器４４ａ、ｂは、所定の波長の光を反射し、他の波長の光を透過する、ダイクロイックミラーであり得る。

【0034】

本開示による光源４０では、二次非線形光学素子４５に含まれる波長変換素子は、後述する（式５）を満たす、周期分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate：以下、ＰＰＬＮという）、周期分極反転タンタル酸リチウム（Periodically Poled Lithium Tantalate：以下、ＰＰＬＴという）、または周期分極反転ＫＴＰ（ＫａＴｉＯＰＯ_４）結晶であり得る。

【0035】

本実施形態による光源４０では、増幅器４６は、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、およびＨｏなどから選択される１つの希土類イオンを添加したガラスファイバー増幅器、または増幅器の一部にＹｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、およびＨｏなどから選択される１つの希土類イオンを添加した単結晶ファイバー増幅器であり得る。

【0036】

このような構成を有する、本開示による光源４０では、増幅器４６により増幅された差周波発生変換光パルス列および分散媒体４８から出力されるＳＣ光パルス列の２種の光パルス列が合波された状態で出力され、顕微鏡１５に入力される。そして、顕微鏡１５において当該２種の光パルス列が合波された光が入射光として試料に入射され、ＣＡＲＳ測定が行われる。本開示による光源４０では、差周波発生変換光パルス列がポンプ光（またはプローブ光）、ＳＣ光パルスパルス列がストークス光にそれぞれ相当する。必要なＣＡＲＳ測定が可能になるようにλ_ｃがポンプ光（またはプローブ光）、ＳＣ光がストークス光として適切な波長となるλ_ｓ及びλ_ｐが選択される。

【0037】

本開示による光源４０は、上記の内容から理解できるように、ポンプ光（またはプローブ光）は非線形光学素子の選択および分散媒体で、ストークス光は分散媒体で、それぞれパルス幅が可変である。したがって、ＣＡＲＳ測定において、試料の損傷を抑制しながら、必要以上のＣＡＲＳ信号強度減少を防ぐことができる。これは、とりわけ、生体組織のような観察時の損傷を抑制することが重要な試料に対して、精度の高い測定を行う場合、大きな効果を奏する。

【0038】

以下に、本開示による光源の実施形態について、具体例を挙げて詳細に説明する。本実施形態における説明では、例として、光源はマルチモーダル非線形光学顕微鏡のＣＡＲＳ分光において波数４００ｃｍ^－１から４０００ｃｍ^－１の領域を観察するための光源とする。また、モード同期レーザーは、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧレーザーをレーザー媒質としたモード同期レーザー発振器とし、二次非線形光学素子の波長変換素子はＰＰＬＮ、増幅器はＹｂ添加ガラスファイバー増幅器（以下、ＹｂＦＡという）、ＣＷ固体レーザーは、単一波長０．６０７μｍにおいて発振するＹｂ：ＹＬＦレーザー発振器とする。なお、モード同期レーザーとして用いるＣｒ^４＋：ＹＡＧレーザーは、中心波長１．４２μｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰返し周波数８０ＭＨｚのフェムト秒パルスレーザーである（例えば、非特許文献６参照）。また、ＣＷ固体レーザーは、単一波長０．６０７μｍを有するＣＷ光の発振器である。

【0039】

上述の通り、本開示による光源では、モード同期レーザーから出力されるフェムト秒光パルス列は分波器で二分岐される。二分岐されたフェムト秒光パルス列の一方は、ＣＷ固体レーザーから出力されるピコ秒光パルス列と差周波発生を生じさせるための信号光としてＰＰＬＮに入力される。一方、ＣＷ固体レーザーから出力されるＣＷ光は、差周波発生の励起光としてＰＰＬＮに入力される。

【0040】

このような場合、使用するＰＰＬＮの異常光線屈折率は、波長をλ（μｍ）とすると、（式５）で計算される（例えば、参考文献７参照）

【0041】

【数5】

【0042】

また、ＣＷ光を励起光、フェムト秒光パルス列を信号光とした差周波発生によりピコ秒光パルス列を発生させる場合、ＰＰＬＮでの両光パルス列の波長の違いから生じる群速度の差により、使用可能なＰＰＬＮの長さが制限される。ＰＰＬＮの使用長さＬτは、ＳＨＧの場合における使用可能長さＬτの求め方（例えば、非特許文献８参照）を参考に、（式６）を用いて求めることができる。

【0043】

【数6】

【0044】

ここで、τ_ｃは変換光（差周波発生変換光パルス列）のパルス幅（半値全幅）であり、ｖ_ｇｃは変換光の群速度、ｖ_ｇｓは信号光の群速度である。

【0045】

一方、変換光、信号光、および励起光の各々の波長間には、（式７）の関係が満たされる。

【0046】

【数7】

【0047】

ここで、λ_ｃ、λ_ｓ、およびλ_ｐは、変換光、信号光、および励起光の各々の波長である。

【0048】

（式６）、（式７）より、本例では、信号光の波長は１．４２μｍであるため、変換光の波長は１．０６μｍ、ＰＰＬＮ内での２つの光の群速度の差により生じる変換光のパルス幅が２．５ｐｓに対し、Ｌτは０．０３ｍと計算される。

【0049】

また、ＰＰＬＮの変換効率を最大にするためには、反転周期Λに対して（式８）で表される位相整合条件を満たすことが求められる（例えば、非特許文献９参照）。

【0050】

【数8】

【0051】

さらに、差周波発生の効率η（％／Ｗ）は、変換光、信号光、および励起光のパワーをそれぞれＰ_ｃ，Ｐ_ｓ、及びＰ_ｐ（Ｗ）とすれば、（式９）で求められる。

【0052】

【数9】

【0053】

以上より、（式７）が満たされる場合の差周波発生の効率η（％／Ｗ）は、（式１０）で表すことができる。

【0054】

【数10】

【0055】

ここで、Ｃ_ＬＮはＰＰＬＮに対する定数、ＬはＰＰＬＮの長さ（ｍ）、Ａ_ｅｆｆは励起光および信号光のＰＰＬＮにおけるビーム断面積（μｍ^２）である。既存の報告において、λ_ｃ＝２．３μｍ、λ_ｓ＝１．５８μｍ、λ_ｐ＝０．９３７μｍ、Ｌ＝０．０５ｍ、Ａ_ｅｆｆ＝８．６×１３μｍ^２の場合、差周波発生の効率ηは１００％／Ｗであることが報告されている（例えば、非特許文献９参照）。これらの数値を用いると、Ｃ_ＬＮは２．２８×１０^８と算出される。

【0056】

本実施形態では、第一のＰＰＬＮの長さは、上述の通り算出された０．０３０ｍとする。この場合、ＰＰＬＮでの差周波発生においては上述した信号光と変換光の群速度の違いから２．５ｐｓのパルスが発生する。

【0057】

変換光の波長１．０６μｍは、増幅器を構成するＹｂＦＡのゲイン帯域に含まれる。増幅器を複数（例えば、２つまたは３つ）のＹｂＦＡの組み合わせとすることで、６０ｄＢ程度ゲインを得ることができるため、増幅器からはＣｒ^４＋：ＹＡＧモード同期レーザーと同期したパルス幅２．５ｐｓの増幅されたピコ秒光パルス列が出力される。

【0058】

ここで二次非線形光学素子は、Ｌτ＝０．０６０ｍの第２のＰＰＬＮ、および２種類の長さの光路を切り替えるスイッチ機構をさらに含むこととする。これによりＬτ＝０．０６０ｍの第２のＰＰＬＮに光路を切り替えた場合、差周波発生変換光としてパルス幅５ｐｓの光パルス列が出力される。

【0059】

さらに、二次非線形光学素子と増幅器の間に分散媒体を含む場合、これによって差周波発生変換光パルス列の各パルスにチャープをかけ、パルス幅を１０ｐｓもしくは２０ｐｓに伸長させて通過させることが可能になる。なお、チャープをかける必要が無い場合は、差周波発生変換光パルス列が分散媒体を通過しないように光路に切り替えてもよい。分散媒体は光ファイバー、分散補償ミラー、またはプリズムペアなどの少なくとも１つにより構成される。光ファイバーであれば長さ、または種類の異なる２種が選択可能であり、分散補償ミラーであればバウンス数を変化させることができ、プリズムペアであれば位置変化が可能である。

【0060】

モード同期レーザーから出力されるフェムト秒光パルス列のうち、二分岐された一方は、ＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬファイバーによりＳＣ光パルス列に変換される。既存の報告にあるように、ペデスタルの無いクリーンなフェムト秒光パルスをＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬファイバーに結合する場合、スペクトルにピークの無いＳＮ比の良好なＳＣ光パルスが得られることが知られている（例えば、非特許文献１０、１１）。異常分散ファイバーやゼロ分散を含むファイバーを用いたＳＣ光発生に比べ全正常分散ファイバーからのＳＣ光は、ＣＡＲＳ顕微鏡のＳＮを向上させ、高解像度、高速測定を実現する。

【0061】

例えば、既存の報告においてＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬファイバーにより発生したＳＣ光のシミュレーションが紹介されており（例えば、非特許文献１１参照）、１．０４μｍのポンプ光に対し、概ね０．８μｍから１．４μｍの範囲にわたるＳＣ光が発生している。これは、概ね５０００ｃｍ^－１の帯域に相当する。仮にＳＣ光の波長帯域の中心波長とポンプ光波長が一致するとし、波長帯域を５０００ｃｍ^－１とした場合、ポンプ光（またはプローブ光）の波長が１．０６μｍであればＳＣ光発生のポンプ光パルスの中心波長λ_ｓは１．２６μｍから１．５３μｍまでの波長域に設定されるべきである。本実施形態ではλ_ｓは１．４２μｍであり、適正な値である。

【0062】

ＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬファイバーから出力されるＳＣ光パルス列は分散媒体を通過し、ピコ秒パルス列とほぼ同じパルス幅に調整される。なお、ピコ秒パルス列とフェムト秒光パルス列とを同期させるには、分波器と顕微鏡との間において、二分岐されたフェムト秒光パルス列の他方の光路長、またはピコ秒パルス列の光路長を調整すればよい。

【0063】

なお、本実施形態の光源は、ＣＡＲＳ測定用顕微鏡以外のコヒーレントラマン散乱（例えば、誘導ラマン利得、誘導ラマン損失など）による分光測定および分光顕微鏡測定に用いてもよい。また、ＣＡＲＳ信号とともにＳＨＧおよびＴＨＧを測定し、マルチモーダル非線形光学顕微鏡として使用してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0064】

以上述べた通り、本開示による光源はポンプ光（またはプローブ光）およびストークス光のパルス幅が可変であり、そのため、１ピクセル当たりの平均パワーを保つことが可能である。また、ＰＭ－ＡＮＤ－ＨＮＬファイバーから出力されるＳＣ光がＣＡＲＳ測定に必要な波長域に設定されるようフェムト秒光パルスの中心波長と差周波発生用ＣＷレーザーの波長が適正に選ばれている。したがって、試料（とりわけ、生体組織の試料）の種類に対し、高いロバスト性を有するラマン散乱分光法を応用した分析および観察の技術として、医療、産業の分野での適用が見込まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】