[发明专利]光学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种需要光学分辨率的光学装置，尤其涉及一种使光束缩聚并相对地改变光束相对于观察物体的照射位置来获取响应信号的光学装置。

背景技术

拉曼光谱显微镜观察生物相关的样本是非常有效的。拉曼光谱显微镜向观察对象照射缩聚的激光，检测所产生的拉曼散射光。拉曼散射光从激励光波长开始进行频移，通过分光器等获取光谱。通过使观察对象与照射光束的位置相对改变并进行扫描，能够获得各个位置处的分光光谱。根据该光谱，能够形成图像。各个观察位置处的拉曼光谱形成为反映了存在于此处的分子的振动激励状态的光谱，形成为其分子具有特征的光谱。只要通过利用该光谱的特征来观察生物的细胞，就将获知组织内的生物体分子的分布。

图2示出了表示发生拉曼散射的过程的能级图。拉曼散射有斯托克斯散射和反斯托克斯散射，但是图2仅示出了斯托克斯散射。701表示分子的振动基态，702表示振动激励状态。当向分子照射频率ω_P的泵浦光时，经过中间状态703，使频率ω_S的光散射。此时，分子返回到702振动激励状态中的一个状态。散射光的频率ω_S变为频率低于泵浦光的斯托克斯光。分子的振动激励状态的能级存在多个，根据分子的种类的不同，振动激励状态不同，并且从中间状态迁移到振动激励状态的能级的迁移概率不同，因此形成分子特有的光谱。拉曼频移Ω用Ω＝ω_P-ω_S表示，在斯托克斯散射的情况下是正值。在反斯托克斯光的情况下，始态是分子的振动激励状态，经中间能级而分子的状态返回到振动基态。在这种情况下，当将ω_AS设为反斯托克斯光的频率时，ω_P＜ω_AS、即反斯托克斯拉曼散射光的频率高于泵浦光。

上述拉曼散射由于得到的散射光的强度较弱，因此测量要花费时间。作为能够得到较强的散射光的方式，存在CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering：相干反斯托克斯拉曼散射)这样的使用非线性拉曼散射的分光方法。通过该方法也能够获得拉曼光谱，从而获知分子的振动状态。为了产生CARS而使用峰值功率高的脉冲激光器。由此，能够获得与拉曼散射相比非常强的信号、即能够获得信号噪声比高的信号，从而使测量时间非常短。

CARS是通过三阶偏振进行的发光，为了产生CARS而需要泵浦光、斯托克斯光、探测光。一般来说，为了减少光源数，探测光由泵浦光代替。在这种情况下，所诱发的三阶偏振用下式表示。

[式1]

P_AS⁽³⁾(ω_AS)＝|χ_r⁽³⁾(ω_AS)+x_nr⁽³⁾|E_P²(ω_P)E*_S(ω_S)    (1)

在此，x_r⁽³⁾(ω_AS)是三阶的电极化率的分子振动的谐振项，x_nr⁽³⁾是非谐振项。另外，用E_P表示泵浦光及探测光的电场，斯托克斯光的电场用E_S表示。非谐振项没有频率依赖性。在式1的E_S的上角附加的星号表示复共轭。CARS光的强度如下进行表示。

[式2]

I_CARS(ω_AS)∝|P_AS⁽³⁾(ω_AS)|²    (2)

利用分子的能级图(图3)说明产生CARS光的机构。本图示出了谐振项的过程。与图1同样地，701表示分子的振动基态，702表示振动激励状态。同时照射频率ω_P的泵浦光和频率ω_S的斯托克斯光。此时，分子经过中间状态703被激励至702的某个振动激励能级。当向处于该激励状态的分子照射频率ω_P的探测光时，经过中间状态704产生频率ω_AS的CARS光的同时，分子返回振动基态。此时的CARS光的频率被表示为ω_AS＝2·ω_P-ω_S。