JP2017107073A - 光源装置およびそれを用いた情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペクトル形状に歪みが少ない光パルスを得る。【解決手段】第１の波長を有するポンプ光パルスを導入する導入部と、ポンプ光パルスの波形を整形する整形部と、光パラメトリック過程により、整形部で整形されたポンプ光パルスから、第１の波長とは異なる第２の波長を有する波長変換光パルスを発生する非線形導波路と、を備え、整形部は、整形されたポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値が、整形部により整形される前のポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値よりも小さくなるように、ポンプ光パルスの波形を整形する。【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置およびそれを用いた情報取得装置に関し、特に、光パラメトリック過程を利用した波長変換および増幅技術に関するものである。

近年の分子イメージングにおいて、短パルス光を励起光として用いて観察を行う技術の開発が進められている。特に、２光子吸収に伴う蛍光や誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の強度を検出することによって、分子種を選別したイメージングを行う研究が盛んに行われている。これらのイメージングでは、観察対象に合わせた波長を有する光パルスを励起光として用いる。

非線形導波路内を光パルスが伝搬する際に生じる非線形効果による光パルスの波長変換や増幅を利用することによって、さまざまな波長の光パルスを発生することが可能となる。例えば、非特許文献１には、狭線幅で高出力の光パルスへの波長変換を実現する手段として、非線形導波路内での四光波混合における光パラメトリック過程を利用する方法が報告されている。

四光波混合による波長変換では、ポンプ光パルスよりも長波長の光パルスであるアイドラー光と、短波長の光パルスであるシグナル光の２つの波長変換光パルスが同時に発生し、そのいずれかの波長変換光パルスが出力パルスとして取り出される。このとき、アイドラー光またはシグナル光のいずれかの波長変換光をシード光としてポンプ光パルスと同期して入力することにより、エネルギー変換の効率を高めることができる。これを、ファイバ光パラメトリック増幅（ＦＯＰＡ：Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ぶ。

Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３８、Ｎｏ．２０、ｐｐ．４１５４−４１５７、１５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．６，ｐｐ．８７６−８８１，１５ Ｍａｒｃｈ ２０１０

非線形導波路を用いた分子イメージングでは、光源として用いる光パルスのピーク強度を高くすることによって信号強度を高めることができる。このためには、波長変換光のパルス幅（半値全幅）を、１０ｐｓ（ピコ秒）程度以下に短くすることが有用である。また、波長変換光のパルス幅がポンプ光パルスのパルス幅に対して短いと、光パラメトリック過程における波長変換効率が低下してしまうので、ポンプ光パルスのパルス幅も合わせて同程度に短くすることが望ましい。

しかし、ポンプ光パルスのパルス幅を短くすると、非線形導波路における相互位相変調（ＸＰＭ：Ｃｒｏｓｓ−Ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が大きくなり、波長変換光パルスのスペクトル形状に歪みが生じてしまう。この結果、光源として用いる光パルスのスペクトル形状が歪み、分子イメージングにおける分解能が悪化してしまうという課題があった。

本発明に係る光源装置は、第１の波長を有するポンプ光パルスを導入する導入部と、ポンプ光パルスの波形を整形する整形部と、光パラメトリック過程により、整形部で整形されたポンプ光パルスから、第１の波長とは異なる第２の波長を有する波長変換光パルスを発生する非線形導波路と、を備え、整形部は、整形されたポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値が、整形部により整形される前のポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値よりも小さくなるように、ポンプ光パルスの波形を整形することを特徴とする。

本発明の光源装置によれば、スペクトル形状に歪みが少ない光パルスを得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す模式図である。 ポンプ光パルスおよび波長変換光パルスが非線形導波路を伝搬する様子を示す模式図である。 ポンプ光パルスの形状と相互位相変調（ＸＰＭ）の大きさとの関係を示す模式図である。 ポンプ光パルスの形状と波長変換効率との関係を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置における光波形整形部により、ＸＰＭが抑制されて波長変換効率が向上することを示すシミュレーション結果である。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る光源装置における光波形整形部の構成を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る光源装置における光波形整形部の構成を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る光源装置における光波形整形部の構成を示す模式図である。 本発明の第６の実施形態に係る情報取得装置の構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下で説明する図面において、同じ機能を有するものは同一の符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。

（第１の実施形態）
本発明の第１実施形態による光源装置について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置１００の構成を示す模式図である。光源装置１００は、ポンプ光導入部１、光波形整形部２、光増幅部３、合波部４、非線形導波路５、およびシード光導入部６を備えて構成される。ここで、光波形整形部２は、分波部２１、導波部２２、２３、および合波部２４を有している。

ポンプ光導入部１は、シングルモードファイバ等からなり、ポンプ光源（不図示）からのポンプ光パルスを光波形整形部２へ導入する。ポンプ光源としては、例えば、Ｙｂドープファイバを利得媒質とするＬＤ励起モードロックパルスレーザーを用いることができる。本実施形態では、ポンプ光導入部１は、波長が１０３５ｎｍ、パルスエネルギーが０．１ｎＪ、パルス幅が４．１ｐｓの光パルスを導入する。光波形整形部２へのポンプ光パルスの導入は、例えばシングルモード光ファイバ等を用いて行う。あるいは、ポンプ光パルスが空間系を伝搬している場合は、レンズを用いて光波形整形部２へカップリングしてもよい。また、ミラー等の光学系を用いて空間系から光波形整形部２へ直接ポンプ光パルスを導入することにより、ポンプ光導入部１に光ファイバを用いた際に引き起こされる非線形過程を低減することも可能である。この場合、当該ミラー等の光学系がポンプ光導入部１となる。

光波形整形部２は、ポンプ光導入部１から導入されるポンプ光パルスの波形を、後述の図２（ｃ）に示すようなフラットトップ形状に整形する。本実施形態の光波形整形部２は、まず、ポンプ光導入部１から導入されたポンプ光パルスを、光カプラ等の分波部２１によって２つの分波光に分波する。次に、分波されたそれぞれの分波光を、互いに光路長が異なる光ファイバ等の導波部２２、２３を導波させることにより、分波光間に位相差を与える。そして、位相差が生じた２つの分波光を、光カプラ等の合波部２４によって再び合波する。このとき、導波部２２、２３の光路長差は、合波される２つの分波光のピーク位置が５ｐｓ程度ずれ、かつ２つの分波光がもっとも建設的に干渉した状態で合波されるように調節される。なお、光路長差の微調整を行うため、また、実験環境の変化に合わせて光路長差の動的調整を行うために、導波部２２、２３のいずれかに外力を与えることによって光路長差を僅かに調節する機構を組み込んでもよい。これにより、ポンプ光パルスを、後述の図５（ａ）に示すような、フラットトップ形状に類するダブルハンプ形状に整形することができる。

光増幅部３は、光波形整形部２で整形されたポンプ光パルスを増幅する。光増幅部３としては、例えば、ＬＤの出力光で励起されたＹｂドープファイバを用いることができる。光増幅部３により、ポンプ光パルスはダブルハンプ形状を保持したまま１０ｎＪに増幅される。なお、光波形整形部２からのポンプ光パルスの出力パワーが十分である場合は、光増幅部３は省略してもよい。

シード光導入部６は、シングルモードファイバ等からなり、シード光源からのシード光パルスを、合波部４を介して非線形導波路５へ導入する。本実施形態では、波長変換光パルスのシード光として、中心波長が８２３ｎｍ、スペクトル幅が０．５ｎｍ、パルスエネルギーが０．１ｎＪの光パルスを導入する。合波部４は、光増幅部３で増幅されたポンプ光パルスと、シード光導入部６から導入される波長変換光パルスのシード光とを合波する。合波部４としては、例えば、光ファイバに接続されたＷＤＭを用いることができる。波長変換光パルスのシード光が空間系を伝搬して導入される場合は、合波部４としてダイクロイックミラーを用いてもよい。

非線形導波路５は、光パラメトリック過程により、波長変換光パルスを発生する。非線形導波路５としては、例えば、非線形係数の高い光ファイバを用いることができる。本実施形態では、ゼロ分散波長が１０５４ｎｍ、２次分散定数が１．６４×１０^−３ｐｓ^２／ｍ、３次分散定数が６．５５×１０^−５ｐｓ^３／ｍ、４次分散定数が−９．４０×１０^−８ｐｓ^４／ｍ、長さが３０ｃｍのフォトニック結晶ファイバを用いる。

図２は、ポンプ光パルスおよび波長変換光パルスが非線形導波路５を伝搬する様子を示す模式図である。図２には、非線形導波路５の光入射端および光射出端における、（ａ）ポンプ光パルス、（ｂ）波長変換光パルス、および（ｃ）光波形整形部２によって整形されたポンプ光パルスを示している。本実施形態の光波形整形部２は、図２（ａ）に示すポンプ光パルスの波形を、図２（ｃ）に示すフラットトップ形状に整形する。

前述のように、ＦＯＰＡ等を用いた分子イメージングにおいて、光源として用いる光パルスのピーク強度を高めるためには、波長変換光のパルス幅（半値全幅）を、１０ｐｓ（ピコ秒）程度以下に短くすることが有用である。また、光パルスを高効率に波長変換または増幅するためには、ポンプ光パルスのパルス幅も合わせて同程度に短くすることが望ましい。

しかし、波長変換光パルスは、非線形導波路５を伝搬する際において、ポンプ光パルスの強度Ｐ（ｔ）の時間変化に比例したＸＰＭを受ける。このとき、波長変換光パルスに生じる周波数変化量δω_ｒ（ｔ）は、下式（１）で表される。
δω_ｒ（ｔ） ∝ −ｄＰ（ｔ）／ｄｔ （１）

図３は、ポンプ光パルスの形状と相互位相変調（ＸＰＭ）の大きさとの関係を示す模式図である。図３（ａ）には、ｓｅｃｈ形状を有するポンプ光パルスの例を示している。一方、図３（ｂ）には、本実施形態の光波形整形部２によって整形されたフラットトップ形状を有するポンプ光パルスの例を示している。

上式（１）で与えられる波長変換光パルスの周波数変化量δω_ｒ（ｔ）は、図３に示すように、ポンプ光パルスの前半部分（ｔ＜０）では負の値となり、後半部分（ｔ＞０）では正の値となる。そして、ポンプ光パルスの強度Ｐ（ｔ）がピーク値の半値となる半値点ｔ_０．５付近において、その絶対値が最大となる。図３には、光パルスの前半部分におけるパルスの立ち上がり時の半値点ｔ_０．５ ⁻と、光パルスの後半部分におけるパルスの立ち下がり時の半値点ｔ_０．５ ^＋を示している。

ここで、波長変換光パルスは時間的な広がりを有するため、波長変換光パルス内の各時刻における周波数変化量δω_ｒ（ｔ）は一様ではない。この結果として波長変換光パルスのスペクトルには歪みや広がりが生じてしまう。この影響は、ポンプ光パルスのパルス幅が１０ｐｓ程度以下となる場合に顕著となる。図３には、このようなＸＰＭが大きくなる領域を斜線で示している。この斜線領域に波長変換光パルスが重なると、波長変換光パルスのスペクトルが歪んでしまう。

そこで、光波形整形部２は、このようなＸＰＭによるスペクトル形状の歪みが低減されるように、ポンプ光パルスの波形を整形する。具体的には、光波形整形部２は、ポンプ光パルスの波形を、図３（ｂ）に示すように、ピーク付近における時間変化がｓｅｃｈ形状やガウシアン形状等と比較して緩やかで、かつ裾部分が少ないフラットトップ形状、またはそれに類する形状に整形する。本実施形態では、光波形整形部２によって整形された後のこのような波形形状を、「フラットトップ形状」と呼ぶ。なお、このフラットトップ形状は、図３（ｂ）に示す波形に限定されるものではない。フラットトップ形状は、波長変換光パルスの波形とポンプ光パルスの波形とが重なる期間において、ポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化が小さくなっていればよい。より具体的には、フラットトップ形状は、例えば以下のように規定される。
規定例１： フラットトップ形状は、ピークにおける波形の時間変化率の絶対値が、整形前のポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値よりも小さい。そして、半値点における波形の時間変化率の絶対値が、整形前のポンプ光パルスの半値点における波形の時間変化率の絶対値よりも大きい。
規定例２： 整形前と整形後とでポンプ光パルスの半値全幅が一致するようにポンプ光パルスの波形を相似変換したとする。この場合に、フラットトップ形状は、ピークにおける波形の時間変化率の絶対値が、整形前のポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値よりも小さい。
これにより、ＸＰＭによる波長変換光パルスのスペクトル形状の歪みを低減することができる。また、更に、波長変換光パルスの波形とポンプ光パルスの波形とが重ならない期間において、整形後のポンプ光パルスの強度が、整形前のポンプ光パルスの強度より小さくなっていれば、光パルスを高効率に波長変換または増幅することができる。このようなフラットトップ形状としては、例えば、ダブルハンプ形状またはスーパーガウシアン形状を用いることができる。

図３（ｂ）に示すフラットトップ形状のポンプ光パルスでは、ＸＰＭの影響が大きくなる斜線領域がピーク付近において解消されている。したがって、波長変換光パルスを、フラットトップ形状のポンプ光パルスのピーク付近に配置することにより、波長変換光パルスに対するＸＰＭを抑制することができる。

図４は、ポンプ光パルスの形状と波長変換効率との関係を示す模式図である。図４（ａ）と図４（ｂ）は、それぞれ、光波形整形部２がない場合と光波形整形部２がある場合の、非線形導波路５におけるポンプ光パルスおよび波長変換光パルスを示している。図４（ｂ）に示す波長変換光パルスは、ＸＰＭの影響が抑えられるフラットトップ形状のポンプ光パルスのピーク付近に配置されている。

波長変換光パルスのパルス幅Δｔ_ｒは、図４に示すように、非線形導波路５を伝搬する過程においてポンプ光パルスに対してウォークオフ時間ｔ_ｗｏ（の半分）だけピーク位置がずれる。ここで、ウォークオフ時間ｔ_ｗｏとは、非線形導波路５におけるポンプ光パルスと波長変換光パルスの群速度の違いにより、非線形導波路５に同時に入射したポンプ光パルスと波長変換光パルスとの間に生じる導波時間の差である。ウォークオフ時間ｔ_ｗｏは、非線形導波路５の長さをＬ、非線形導波路５のポンプ光パルスに対する群屈折率をｎ_ｐ、非線形導波路５の波長変換光パルスに対する群屈折率をｎ_ｒ、真空中の光速度をｃとするとき、下式（２）で表される。
ｔ_ｗｏ＝Ｌ｜ｎ_ｒ−ｎ_ｐ｜／ｃ （２）
上式（２）では、非線形導波路５内でのウォークオフ量を示しているが、合波部４〜非線形導波路５間、非線形導波路５〜出力端間での光導波路内でも、ＸＰＭは生じる。そして、光導波路の形状や材質、あるいはポンプパルス光の強度に応じて、ＸＰＭによって波長変換光パルスの形状が変化する。そのような場合には、上式（２）に光導波路等の長さと屈折率を導入したウォークオフ時間ｔ_ｗｏを算出する。

図４において、波長変換光パルスの波形がポンプ光パルスの波形と重なる期間は、波長変換光パルスのパルス幅Δｔ_ｒにウォークオフ時間ｔ_ｗｏを加算したΔｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏとなる。光波形整形部２は、下式（３）が満たされるようにポンプ光パルスの波形をフラットトップ形状に整形する。
Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏ ≦ Δｔ_ｐ （３）

これにより、波長変換光パルスが、図４（ｂ）に示すように、ポンプ光パルスのフラットトップ形状のピーク付近に配置されるので、波長変換光パルスに対するＸＰＭの影響を抑制することができる。

また、光波形整形部２は、ポンプ光パルスの強度をＰ（ｔ）、非線形導波路５の長さをＬ、非線形導波路５の非線形係数をγとするとき、波長変換光パルスが、Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏの期間において下式（４）を満たすようにポンプ光パルスの波形を整形する。
｜ｄＰ（ｔ）／ｄｔ｜ ≦ １ＴＨｚ／γＬ （４）

これにより、ＸＰＭによる波長変換光パルスの周波数変化量δω_ｒ（ｔ）を、分光用途に求められる周波数幅である１ＴＨｚ以下に抑えることができる。一例として、８２３ｎｍの波長変換光パルスを用いる場合の周波数変化量δω_ｒ（ｔ）は０．７ｎｍの波長変化量に相当し、波長変換光パルスが分光用途に用いられる場合に求められるスペクトル幅である１ｎｍと同程度となる。

図４には、ポンプ光パルスと波長変換光パルスとが重ならずに波長変換効率が低くなっている期間を斜線で示している。光波形整形部２は、更に、このような波長変換効率が低くなるポンプ光パルスの波形の裾部分を減らすために、波長変換光パルスと波形が重ならない期間におけるポンプ光パルスの強度を抑制する。このとき、光波形整形部２は、上式（３）に加えて下式（５）が満たされるようにポンプ光パルスの波形を整形する。具体的には、フラットトップ形状のポンプ光パルスのパルス幅Δｔ_ｐ（半値全幅）が、ウォークオフ時間ｔ_ｗｏと波長変換光パルスのパルス幅Δｔ_ｒ（半値全幅）の和Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏの１倍以上２倍以下となるように設定する。
Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏ ≦ Δｔ_ｐ ≦ ２（Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏ） （５）

これにより、ポンプ光パルスの波形中心のΔｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏの期間において、上式（４）を満たさないポンプ光パルスの成分を減らして波長変換効率を向上させることができる。この結果、ポンプ光パルスの全エネルギーＩ_ｐに対して、（５）式を満たす領域におけるポンプ光パルスのエネルギーをＩ_ｐ´とするとき、下式（６）を満たすポンプ光パルスを得ることができる。
Ｉ_ｐ´／Ｉ_ｐ ≧ ０．５ （６）

すなわち、ポンプ光パルスの１／２以上のエネルギーを波長変換に用いることができる。このように、図４に斜線で示す波長変換効率が低い裾部分を減らして、ポンプ光パルスから波長変換光パルスへのエネルギー変換効率を向上させつつ、波長変換光パルスのパルス幅を短く維持することができる。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置における光波形整形部２により、ＸＰＭが抑制されて波長変換効率が向上することを示すシミュレーション結果である。図５（ａ）には、光波形整形部２を有しない場合の、非線形導波路５の光入射端（ｉｎｐｕｔ）および光射出端（ｏｕｔｐｕｔ）におけるポンプ光パルス波形のシミュレーション結果を示している。一方、図５（ｂ）には、光波形整形部２を有しない場合のシミュレーション結果を示している。図５に実線で示すように、光波形整形部２を有する図５（ａ）の方が、光波形整形部２を有しない図５（ｂ）よりも、非線形導波路５の光射出端における波長変換光のスペクトル形状の歪みが低減されていることが分かる。また、変換効率についても同様に、光波形整形部２を有する図５（ａ）の方が向上していることが分かる。このように、ポンプ光パルスの波形を、フラットトップ形状に類するダブルハンプ形状とすることにより、ＸＰＭによる波長変換光パルスのスペクトルの歪みを低減することができる。また、同時に、ポンプ光パルスからシグナル光やアイドラー光の波長変換光パルスへの変換効率を向上させることができる。

以上のように、本実施形態では、非線形導波路におけるポンプ光パルスの波形をフラットトップ形状に整形するポンプ光整形部を備えている。また、非線形導波路は、整形されたポンプ光パルスから波長変換光パルスへのエネルギー変換を誘起することにより、波長変換光パルスを増幅する。これにより、スペクトル形状に歪みが少ない光パルスを高効率に増幅することができる。

また、本実施形態では、光波形整形部が、合波部、分波部、および分波されたそれぞれの分波光を導波する互いに光路長が異なる複数の導波部を含んでいる。これにより、ポンプ光パルスの波形を、フラットトップ形状に類するダブルハンプ形状に整形することができる。

なお、図１では、ポンプ光パルスを２つの分波光に分波する光波形整形部２の構成を示したが、このような構成に限定されるものではない。例えば、ポンプ光パルスを３以上の複数の分波光に分波して、それぞれ位相差を調整した上で合波することで、ポンプ光パルスの波形をよりフラットトップ形状に近い波形に整形することが可能である。また、後述するように、光波形整形部２を、複数の光カプラの組み合わせや、回折格子と空間光位相変調器からなる光波形整形部、ファイバブラッググレーティングやテーパ加工した光ファイバ等を用いて構成することも可能である。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における光源装置について図６を用いて説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る光源装置１００ｂの構成を示す模式図である。光源装置１００ｂは、ポンプ光導入部１、光波形整形部２、光増幅部３、合波部４、非線形導波路５、取り出し部７、およびフィードバック部８を備えて構成される。ポンプ光導入部１、光波形整形部２、光増幅部３、合波部４、および非線形導波路５については、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。本実施形態の光源装置１００ｂは、第１の実施形態と比較してシード光導入部６を備えていない。すなわち、本実施形態においては波長変換光パルスのシード光は導入されない。代わりに、本実施形態では、非線形導波路５の出力の９０％を取り出し部７で外部に取り出して出力するとともに、残りの１０％をフィードバック部８で合波部４へフィードバックする。これにより、本実施形態では、光波長変換のための光共振器が構成される。
なお、上式（２）では、非線形導波路５内でのウォークオフ量を示したが、合波部４〜非線形導波路５間、非線形導波路５〜取り出し部７間、及び取り出し部７〜出力端間での光導波路内においても、ＸＰＭは生じる。そのような場合には、光導波路の形状や材質、あるいはポンプパルス光の強度に応じて、ウォークオフ時間ｔ_ｗｏを、上式（２）の算出と同様の手法を用いて算出する。

本実施形態では、取り出し部７として、ファイバに接続された光カプラを用いる。また、フィードバック部８としてシングルモードファイバを用いる。フィードバック部８は波長変換光パルスを導波する導波路であればよく、ミラーを用いて空間系で構成してもよい。合波部４は、フィードバック部８からフィードバックされる波長変換光パルスと、光増幅部３から出力されるポンプ光パルスをタイミング同期して合波する。合波されたポンプ光パルスおよび波長変換光パルスは、再び非線形導波路５を伝搬し、量子ノイズに起因する波長変換光パルスが増幅されて、取り出し部７から出力される。波長変換光パルスの中心波長は、ポンプ光パルスの波長、強度および非線形導波路５の分散パラメータによって定まる位相整合条件によって決まり、本実施形態では８２３ｎｍとなる。なお、フィードバック部８には、タイミングを同期するための遅延ラインを挿入してもよい。また、出力する波長変換光パルスのスペクトル線幅や中心波長を調整するために、フィードバック部８に波長フィルタを挿入してもよい。

以上のように、本実施形態では、非線形導波路におけるポンプ光パルスの波形をフラットトップ形状に整形するポンプ光整形部を備えている。また、非線形導波路は、光パラメトリック過程により、整形されたポンプ光パルスを波長変換光パルスに波長変換する。これにより、波長変換光パルスのシード光を用いることなく、スペクトル形状に歪みが少ない光パルスを高効率に波長変換することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における波長変換装置について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置１００における光波形整形部２ｂの構成を示す模式図である。本実施形態の光源装置１００の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、光波形整形部２が、空間光位相変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を含む点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。

本実施形態では、光波形整形部２ｂとして、図７に示すような２つの回折格子２５ａ、２５ｂと、空間光位相変調器２６を用いる。回折格子２５ａで波長成分毎に分けられたポンプ光パルスは、レンズ２７ａによってコリメート（平行光化）されたのち、空間光位相変調器２６によって、波長成分ごとに強度および位相の変調が与えられる。与える変調の量は外部で任意に制御される。レンズ２７ｂおよび回折格子２５ｂは、変調が与えられた各波長成分を、再び１つのパルスとすることにより、ポンプ光パルスを任意の形状に整形することができる。なお、光波形整形器の構成は図７のものに限定されず、反射型の空間光位相変調器を用いることや、集光レンズの代わりに集光ミラーを用いることによって構成を変え、光学素子の数を減らすことも可能である。

以上のように、本実施形態では、光波形整形部が、空間光位相変調器を含んでいる。これにより、第１の実施形態よりもさらに長方形に近い波形の形状を持つポンプ光パルスを作ることができ、ＸＰＭの影響をさらに抑えることが可能となる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態における波長変換装置について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係る光源装置１００における光波形整形部２ｃの構成を示す模式図である。本実施形態の光源装置１００の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、光波形整形部２が、ファイバブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を含む点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。

本実施形態では、光波形整形部２ｃとして、図８に示すようなファイバブラッググレーティング２８を用いた光波形整形器を用いる。ファイバブラッググレーティング２８は、透過光がフラットトップ形状となるように、導入されるポンプ光パルスの時間形状、スペクトル形状に合わせて設計されたものである。

以上のように、本実施形態では、光波形整形部が、ファイバブラッググレーティングを含んでいる。これにより、第１の実施形態よりも外部環境の変化の影響を受けずに、空間系を用いることなくポンプ光パルスの時間波形を整形することができる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態における波長変換装置について説明する。図９は、本発明の第５の実施形態に係る光源装置１００における光波形整形部２ｄの構成を示す模式図である。本実施形態の光源装置１００の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、光波形整形部２が、テーパ形状に加工した光導波路を含む点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。

本実施形態では、光波形整形部２ｄとして、図９に示すようなテーパ形状に加工した光ファイバ２９を用いた光波形整形器を用いる。光ファイバ２９を伝搬するポンプ光パルスの一部は、第１のテーパ部３０ａにおいて高次の伝搬モードへ遷移し、第２のテーパ部３０ｂにおいて１次の伝搬モードへ戻る。このとき、光パルスの群速度は伝搬モードの次数によって異なるため、第２のテーパ部３０ｂにおいて高次の伝搬モードから１次の伝搬モードへ戻る成分は、高次の伝搬モードへ遷移することなく伝搬する成分と時間遅延を持って重ね合わせられる。この結果、出力されるパルスの１次の伝搬モードは時間波形がダブルハンプ形状となる（例えば、非特許文献２参照）。

以上のように、本実施形態では、光波形整形部が、テーパ形状に加工した少なくとも２つのテーパ部を有する光導波路を含む。これにより、ファイバブラッググレーティング等の特別なデバイスを使用することなく、光ファイバの安価な加工のみでポンプ光パルスの波形をダブルハンプ形状とすることができる。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態における波長変換装置について説明する。図１０は、本発明の第６の実施形態に係る情報取得装置１０００の構成を示す模式図である。本実施形態の情報取得装置１０００は、第１〜第５の実施形態の光源装置に、更に検出器１８を備えて構成される。本実施形態の光源装置１００は、図１に示す第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。

第１〜第５の実施形態に記載の光源装置１００により、中心波長８２３ｎｍで歪みの無いスペクトル形状の波長変換光パルス出力を得る。得られた光パルスはビームコリメータ１１、Ｘスキャンミラー１２、Ｙスキャンミラー１３を経由し、ダイクロイックミラー１４、対物レンズ１５によりステージ１６に固定された被検体１７に集光照射される。被検体１７では、光パルスを集光照射した部分において２光子吸収に起因する蛍光が起こる。この蛍光は対物レンズ１５によって取りこまれ、ダイクロイックミラー１４を透過して検出器１８で検出される。

このとき、Ｘスキャンミラー１２を駆動すると、集光点が被検体１７内部をＸ方向へスキャンすることができ、Ｙスキャンミラー１３を駆動すると、集光点が被検体１７内部をＸ方向と垂直なＹ方向へスキャンすることができる。従って、Ｘスキャンミラー１２、Ｙスキャンミラー１３によって集光点を被検体１７上で走査すれば、二次元画像を取得することができる。さらに、一回の二次元スキャン終了後、ステージ１６を動かして集光点を光軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の２次元スキャンを繰り返すことで、被検体１７の三次元画像を得ることが可能となる。

以上のように、本実施形態では、第１〜第５の実施形態の光源装置からの出力を光源として使用する。これにより、スペクトル形状に歪みが低減された光パルスを励起光として用いることができるので、波長分解能の高いイメージングを行うことができる２光子顕微鏡を得ることが可能となる。

なお、本実施形態では、光パルスを被検体に照射し、被検体にて反射・透過または発光する光の少なくとも１つを検出し、被検体の情報を取得する情報取得装置として、２光子顕微鏡を例にとって説明した。しかし、これに限定されるものではなく、誘導ラマン散乱顕微鏡、内視鏡などの情報取得装置にも、本実施形態と同様に第１〜第５の実施形態のいずれかに記載された装置を用いることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態に記載の構成は、一例を示したものであり、本発明を適用可能な波長変換装置、光源装置、および情報取得装置は、上記実施形態の説明に用いた図に限定されるものではない。また、上記実施形態１〜６の構成は、任意に組み合わせて実施することも可能である。本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１ ：ポンプ光導入部（導入部）
２ ：光波形整形部（整形部）
３ ：光増幅部
４ ：合波部
５ ：非線形導波路
６ ：シード光導入部
７ ：取り出し部
８ ：フィードバック部
１１ ：ビームコリメータ
１２ ：Ｘスキャンミラー
１３ ：Ｙスキャンミラー
１４ ：ダイクロイックミラー
１５ ：対物レンズ
１６ ：ステージ
１７ ：被検体
１８ ：検出器
２１ ：分波部
２２、２３：導波部
２４ ：合波部
２５ ：回折格子
２６ ：空間光位相変調器
２７ ：レンズ
２８ ：ファイバブラッググレーティング
２９ ：光ファイバ
３０ ：テーパ部
１００ ：光源装置
１０００ ：情報取得装置

Claims (16)

1. 第１の波長を有するポンプ光パルスを導入する導入部と、
   前記ポンプ光パルスの波形を整形する整形部と、
   光パラメトリック過程により、前記整形部で整形されたポンプ光パルスから、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する波長変換光パルスを発生する非線形導波路と、を備え、
   前記整形部は、前記整形されたポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値が、前記整形部により整形される前の前記ポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値よりも小さくなるように、前記ポンプ光パルスの波形を整形することを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記整形部は、前記整形されたポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値が、前記整形される前の前記ポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値よりも小さく、かつ、前記整形されたポンプ光パルスの半値点における波形の時間変化率の絶対値が、前記整形される前の前記ポンプ光パルスの半値点における波形の時間変化率の絶対値よりも大きくなるように、前記ポンプ光パルスの波形を整形することを特徴とする光源装置。
3. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記整形部は、整形前と整形後とでポンプ光パルスの半値全幅が一致するように前記ポンプ光パルスの波形が相似変換されたとして、前記整形されたポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値が、前記整形される前の前記ポンプ光パルスのピークにおける波形の時間変化率の絶対値よりも小さくなるように、前記ポンプ光パルスの波形を整形することを特徴とする光源装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光源装置において、
   前記整形部は、前記波長変換光パルスの波形と前記ポンプ光パルスの波形とが重ならない期間において、前記整形されたポンプ光パルスの強度が、前記整形される前の前記ポンプ光パルスの強度よりも小さくなるように前記ポンプ光パルスを整形することを特徴とする光源装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置において、
   前記波長変換光パルスのシード光を導入するシード光導入部と、
   前記シード光導入部によって導入された前記波長変換光パルスのシード光と前記整形部によって整形されたポンプ光パルスとを合波して前記非線形導波路に導波する合波部と、
   を更に備え、
   前記非線形導波路は、前記整形されたポンプ光パルスから前記波長変換光パルスへのエネルギー変換を誘起することにより、前記波長変換光パルスを増幅することを特徴とする光源装置。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置において、
   前記非線形導波路において発生した前記波長変換光パルスの一部をフィードバックするフィードバック部と、
   前記フィードバック部によってフィードバックされた前記波長変換光パルスと前記整形部によって整形されたポンプ光パルスとを合波して前記非線形導波路に導波する合波部と、
   を更に備え、
   前記非線形導波路は、光パラメトリック過程により、前記整形されたポンプ光パルスを前記波長変換光パルスに波長変換することを特徴とする光源装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光源装置において、
   前記ポンプ光パルスのパルス幅をΔｔ_ｐ、前記波長変換光パルスのパルス幅をΔｔ_ｒ、前記非線形導波路における前記波長変換光パルスの前記ポンプ光パルスに対するウォークオフ時間をｔ_ｗｏとするとき、前記ポンプ光パルスが、
   Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏ ≦ Δｔ_ｐ
   を満たすことを特徴とする光源装置。
8. 請求項５または６に記載の光源装置において、
   前記ポンプ光パルスのパルス幅をΔｔ_ｐ、前記波長変換光パルスのパルス幅をΔｔ_ｒ、前記合波部から前記光源装置の出力端までにおける前記波長変換光パルスの前記ポンプ光パルスに対するウォークオフ時間をｔ_ｗｏとするとき、前記ポンプ光パルスが、
   Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏ ≦ Δｔ_ｐ
   を満たすことを特徴とする光源装置。
9. 請求項６に記載の光源装置において、
   前記非線形導波路の出力の一部を取り出して前記光源装置の外部に出力する取り出し部を更に備え、
   前記ポンプ光パルスのパルス幅をΔｔ_ｐ、前記波長変換光パルスのパルス幅をΔｔ_ｒ、前記合波部から前記取り出し部の出力端までにおける前記波長変換光パルスの前記ポンプ光パルスに対するウォークオフ時間をｔ_ｗｏとするとき、前記ポンプ光パルスが、
   Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏ ≦ Δｔ_ｐ
   を満たすことを特徴とする光源装置。
10. 請求項７から９のいずれか１項に記載の光源装置において、
    前記ポンプ光パルスが、
    Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏ ≦ Δｔ_ｐ ≦ ２（Δｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏ）
    を満たすことを特徴とする光源装置。
11. 請求項７から１０のいずれか１項に記載の光源装置において、
    前記ポンプ光パルスの強度をＰ（ｔ）、前記非線形導波路の長さをＬ、前記非線形導波路の非線形係数をγとするとき、前記ポンプ光パルスが、前記ポンプ光パルスの波形中心のΔｔ_ｒ＋ｔ_ｗｏの期間において、
    ｜ｄＰ（ｔ）／ｄｔ｜ ≦ １ＴＨｚ／γＬ
    を満たすことを特徴とする光源装置。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の光源装置において、
    前記整形部は、
    前記ポンプ光パルスを複数の分波光に分波する分波部と、
    前記分波されたそれぞれの分波光を導波する互いに光路長が異なる複数の導波部と、
    前記複数の導波部からの前記複数の分波光を合波する合波部と、
    を含むことを特徴とする光源装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の光源装置において、
    前記整形部は、空間光位相変調器を含むことを特徴とする光源装置。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の光源装置において、
    前記整形部は、ファイバブラッググレーティングを含むことを特徴とする光源装置。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の光源装置において、
    前記整形部は、テーパ形状に加工した少なくとも２つのテーパ部を有する光導波路を含むことを特徴とする光源装置。
16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載の光源装置の出力を光源として用いることを特徴とする情報取得装置。

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