レーザー装置およびその制御方法
【課題】波長ずれや光路角度ずれをもたらす機械的な可動機構のない波長選択機構を有するレーザー装置を提供する。
【解決手段】出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる、偏光子からなる分岐手段であって、出力鏡を端部とする共通光路と、いずれかの反射面を端部とする複数の分岐光路を形成する分岐手段と、共通光路に配置されたレーザー媒質と、複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択手段を有するレーザー装置を用いる。
【解決手段】出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる、偏光子からなる分岐手段であって、出力鏡を端部とする共通光路と、いずれかの反射面を端部とする複数の分岐光路を形成する分岐手段と、共通光路に配置されたレーザー媒質と、複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択手段を有するレーザー装置を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変なレーザー装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変レーザーを用いた医療用の光音響トモグラフィー装置（ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ装置：ＰＡＴ装置）の開発が進められている（非特許文献１）。生体内部にある腫瘍周囲に集束する血管観察から腫瘍の有無を判断することや、酸化ヘモグロビンや還元ヘモグロビンのスペクトルの違いを応用することで組織の機能解析を行うことが可能であると期待されている。
【０００３】
ＰＡＴ装置は、ナノ秒パルスレーザーを測定部位に照射して、そこで発生する超音波（光音響波）を受信し、受信信号を解析することで画像を得る測定装置である。生体内部では、照射したレーザー強度が生体内の拡散により減衰するため、特に乳房のように比較的深い生体部位から光音響波を取得する場合、パルス当りのエネルギー出力の高いレーザー光が必要とされる。
チタンサファイアレーザーやアレクサンドライトレーザーは、広い利得帯域を有するレーザー媒質を用いて波長可変とした固体レーザーである。波長可変レーザーを所望の波長でレーザー発振させる波長選択機構には、レーザー共振器内にプリズム、回折格子、複屈折板を設置する方法や、音響光学可変波長フィルター（ＡＯＴＦ）を利用する方法（特許文献１）がある。
【０００４】
プリズムを用いる場合、プリズムの屈折率から考慮される波長毎の光路角度ずれに対応して、共振器内で光束を共振させる。プリズム自身を共振器の反射鏡とする場合は、共振器を構成する基板の面内方向にプリズムを機械的に回転させる。プリズムと別に反射鏡を利用する場合は、プリズムを固定し、波長毎の光路角度ずれに対応した位置にある反射鏡を機械的に回転させることで波長選択することも可能である。プリズムと同様にして回折格子を用いた場合も、発振波長に応じて反射鏡を機械的に回転させて波長選択を行う。
複屈折板を用いる場合は、共振する光束の光軸を複屈折板の入射および射出面に対する角度を維持するように、複屈折板を機械的に回転させることにより波長選択を行う。
ＡＯＴＦを用いる場合は、ＡＯＴＦ素子に印加するＲＦ信号により機械的な回転機構を用いることなく波長選択を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５６７２３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ. Ｍａｎｏｈａｒ ｅｔ ａｌ, Ｐｒｏｃ. ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ. ６４３７ ６４３７０２−１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＰＡＴ装置では、酸化ヘモグロビンや還元ヘモグロビンのスペクトルの違いを検出するためには２波長以上のレーザー照射が必要である。測定される信号強度は、生体の状態や測定位置などの測定条件に影響を受けるため、それぞれの波長で得られる信号を比較する場合、波長以外の測定条件を一定に保つことが好ましい。発振パルス毎に波長を変えて測定する場合、生体の体動などの影響を十分低減できると考えられることから、生体状態や
測定位置を一定に維持した測定が容易である。ゆえに、採用する波長可変機構に関わらず、発振パルス毎に波長を変えた場合でも、光路角度ずれや発振波長ずれを抑制する必要がある。また、発振出力が一定であるとともに、選択した複数の波長のそれぞれにおいて、波長が一定である必要がある。さらに、波長可変機構に可動機構を有する場合は、繰り返し可動に対する部材の長期安定性を確保することも必要である。
【０００８】
上記の要求を踏まえた上で、従来の波長可変レーザー装置を医療用ＰＡＴ装置のレーザー光源として用いることを検討すると、以下の課題がある。
従来利用されてきたプリズムや回折格子を波長可変機構として用いる場合ステージ等を用いて反射鏡位置を回転制御する。もし反射鏡の回転位置ずれが起きると、発振波長が変動する。また、あおり角度がずれた場合は、アライメントずれにより発振出力が低下する。このため、発振パルス毎にステージ位置を移動させ、かつ位置精度を安定的に維持する事が必要である。なお、レーザー発振時には駆動ステージを静止させることが必要である。したがって、発振パルスごとにステージの回転と静止を繰り返すことになる。
繰り返し駆動に耐えられるように、ステージや光学素子筐体の駆動部分に、部材の摩擦および摩耗等を考慮した繰り返し信頼性の高い部材を用いることが必要である。しかしながら、信頼性の高い駆動ステージでも、繰り返し駆動に対する部材耐久性には限界がある。一方、レーザーの出力安定性を確保するためには、レーザー使用環境における共振器の熱安定性を維持する事が不可欠である。一般的にレーザー基板にはアルミ基板が用いられるが、部材にアルミ以外の高耐久性部材を用いた場合、部材の違いにより熱膨張率が異なり、共振器全体の熱安定性維持に支障が生じる可能性がある。
【０００９】
複屈折板を用いる波長可変機構は、複数の複屈折板を組み合わせるため、構成要素のサイズが大きな光学部品となる。パルス毎に波長を変える場合、複屈折板の回転と静止を繰り返すため、パルスレーザーの周波数が上がるにつれて、かかる大きな複屈折板を高速で回転制御しなければならないという困難が生じる。また、回転精度に劣化が生じた場合は、選択する波長がずれる問題が生じる。さらに、複屈折板を用いる波長可変機構は高コストであることも問題である。
【００１０】
上述の問題点を踏まえると、波長可変機構としては、波長ずれや光路角度すれをもたらす機械的な可動機構を持たないものが好ましい。
音響光学フィルター（ＡＯＴＦ）を波長可変機構として用いる場合、機械的な可動機構を排除する事が可能である。ＡＯＴＦは、音響光学結晶と超音波トランスデューサーにより構成される。複屈折性を示す音響光学結晶中に超音波を励起すると、超音波の周波数に応じた特定の波長の回折光が、超音波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす方向に強く回折される。励起する超音波の周波数（波数）を変える事により位相整合条件が成立する光の波長が変化する。ＡＯＴＦを共振器内部に設置し、回折した所望の位置に共振器を構成する反射鏡を設置する。さらに、ＡＯＴＦと反射鏡の間にプリズム等の波長分散補正素子を配置することにより、回折角の波長依存性を補償することができる。すなわち、反射鏡を回転させることなく、ＡＯＴＦに印加する超音波のＲＦ電源からのＲＦ信号により所望の波長を選択することが可能となる。
【００１１】
しかしながら、音響光学素子の回折効率は、１次回折光を用いた場合でも、通常は７０〜８０％、高くても９０％迄であり共振器内損失が大きい欠点を有する。ＡＯＴＦで波長選択を行い出力強度の強いレーザー光を得るためには、一次回折光の回折強度を高める必要がある。ＡＯＴＦでは、一次回折光強度は伝搬する超音波の強度となるＲＦ信号強度に依存する。ＡＯＴＦには、素子耐性を超える一定以上のＲＦ信号を印加することができないため、高出力が必要な用途には不向きである。音響光学素子を用いたＱスイッチにおいて、レーザーパワー１００００Ｗ／ｃｍ２程度の製品が実現されていている。しかしながら、ＰＡＴ装置では、パルスエネルギーの高いレーザー光が必要な場合がある。特に医療
用ＰＡＴ装置では、１０ナノ秒程度のパルス幅を有するレーザー装置が多く用いられており、高出力エネルギーが必要なレーザー装置では、レーザーパワーとして１００ＭＷ／ｃｍ２に相当する出力が必要となる。すなわち、ＡＯＴＦを用いて高いエネルギーパルスを発振する波長可変レーザー装置とすることは困難である。
【００１２】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、波長ずれや光路角度ずれをもたらす機械的な可動機構のない波長選択機構を有するレーザー装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は以下の構成を採用する。すなわち、
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、
固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる、偏光子からなる分岐手段であって、前記出力鏡を端部として前記複数の光路に共通する共通光路と、前記反射手段のいずれかの反射面を端部として前記複数の光路ごとに異なる複数の分岐光路と、を形成する分岐手段と、
前記共通光路に配置されたレーザー媒質と、
前記複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択手段と、
を有することを特徴とするレーザー装置である。
【００１４】
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置の制御方法であって、
前記レーザー装置は、
固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる分岐手段であって、前記出力鏡を端部として前記複数の光路に共通する共通光路と、前記反射手段のいずれかの反射面を端部として前記複数の光路ごとに異なる複数の分岐光路と、を形成する分岐手段と、
前記共通光路に配置されたレーザー媒質と、
前記分岐光路に偏光子を有しており、
前記複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択ステップを有することを特徴とするレーザー装置の制御方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、波長ずれや光路角度ずれをもたらす機械的な可動機構のない波長選択機構を有するレーザー装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図２】光路遮蔽部の一形態を示す構成図。
【図３】反射部の一形態を示す構成図。
【図４】反射部材にプリズムを用いる場合の構成図。
【図５】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図６】平行平板を用いた光路選択機構の構成図。
【図７】楔形形状素子を用いた光路選択機構の構成図。
【図８】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図９】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図１０】実施例１における構成図。
【図１１】実施例２における構成図。
【図１２】実施例３における構成図。
【図１３】実施例４における構成図。
【図１４】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の範囲を以下の記載に限定するものではない。
【００１８】
（プリズムを用いる基本的な構成）
図１は本発明の実施形態の一例を示す構成図である。
図中には、レーザー媒質を励起する励起光１０１、出力部１０２、レーザー媒質１０３、光路分岐部であるプリズム１０４、共振光路選択部である分岐された第１の分岐光路１１０上に設置する第１の光路遮蔽部１０５が含まれる。図中にはまた、共振光路選択部である分岐された第２の分岐光路１１１上に設置する第２の光路遮蔽部１０６が含まれる。さらに、第１の分岐光路１１０の端部における反射部としての第１の反射部材１０７、第２の分岐光路１１１の端部における反射部としての第２の反射部材１０８、共通光路１０９が含まれる。
出力部１０２は、所望波長のレーザーを発振するために、発振波長における透過率を規定する誘電体膜が積層している。レーザー媒質１０３は、発振帯域の広い利得媒質からなり、例えば、チタンサファイア（Ｔｉ：ｓａ）、アレクサンドライトなどである。プリズム１０４にて波長分散により光束は分岐される。プリズム１０４の光学素材は、分散が大きく、レーザー損傷閾値の高い材料であることが好ましい。第１の反射部材１０７、第２の反射部材１０８は、それぞれ、レーザー媒質１０３の発振帯域内の所望の波長が反射するように配置され、それぞれの波長に好適な誘電体反射膜を備えている。
励起光１０１としては、ランプや半導体レーザーなどによって励起されたレーザー光や、ランプから発せられた光などを、用途に応じて使用することができる。たとえば、レーザー媒質にＴｉ：ｓａを用いる場合は、主に５００ｎｍ付近のレーザー光で励起する事が多く、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波である５３２ｎｍの波長のレーザー光を用いて励起する事が好ましい一形態である。レーザー媒質にアレクサンドライトを用いる場合は、ランプ励起が好ましい一形態である。また、パルスレーザーとするためには、励起光もパルス駆動する事が必要であり、励起手段にフラッシュランプを利用し、共通光路１０９にポッケルスセル等を用いるＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）を用いても構わない。
【００１９】
本実施形態のレーザーは以下のように制御して利用する。以下励起光１０１により２０Ｈｚの繰り返し周波数で発振するパルスレーザーを例に説明する。
第１の波長のレーザー光が発振するように、第１の光路遮蔽部１０５を開け、第２の光路遮蔽部１０６を閉じる。励起光１０１によりレーザー媒質１０３が励起され、共通光路１０９および第１の分岐光路１１０を光路とし、出力部１０２と第１の反射部材１０７よりなる共振器により、第１の波長のレーザー光が射出する。
レーザー光射出後、第２の波長のレーザー光が発振するように、第１の光路遮蔽部１０５を閉じ、第２の光路遮蔽部１０６を開ける。遮蔽部開閉の制御は、励起光トリガーおよび励起後レーザー光が発振する迄の遅延時間等を考慮し開閉する必要があり、励起光トリガーと同期させて制御することが好ましい。遮蔽部はそれぞれ独立に開閉できる。本例では、パルス毎に発振波長を交互に変える場合を述べている。遮蔽部開閉の制御の安定性のために、繰り返し周波数に同期した開閉を繰り返す回転型の開閉機構などが好ましい形態である。
第２発目のパルス準備のため遮蔽部制御終了後、励起光１０１によりレーザー媒質１０３が励起され、共通光路１０９および第２の分岐光路１１１を光路とし、出力部１０２と第２の反射部材１０８よりなる共振器により、第２の波長のレーザー光が射出する。本操作を繰り返すことにより、２波長のレーザー光を安定的に発振させることができる。
ここでは、パルス毎に交互に波長が変わる例を示したが、遮蔽部の開閉を制御して一方の分岐光を用いる共振器を選択する事により、任意の波長を連続させて発振させることも可能である。遮蔽部開閉の制御をプログラムすることにより、パルス毎に発振する波長の
レーザー光の順序等を予め決めておくことも可能である。
【００２０】
図１では、光路分岐手段として１個のプリズム１０４を用いているが、発振波長の波長差が少ないと分散が小さいため、第１の分岐光路１１０と第２の分岐光路１１１を明確に分けることが困難となる。明確な光路の違いを作るためには長い共振器長が必要となる。これに対して、プリズム１０４を複数個のプリズムにすることにより光路分岐の角度を広げ、分岐光路に違いを作ることが可能となる。ここでは、用いるプリズムの数を限定するものでではない。プリズムは光路の２つの透過面に発振波長の誘電体反射防止膜を付与するか、あるいは、入射光の波長に対して、２つの透過面がブリュースター角となるように配置するブリュースター分散プリズムを用いても良い。
【００２１】
（光路遮蔽部を１個とする構成）
図１のように、分岐光路毎に光路遮蔽部を備える方法の他に、図２に示すように、複数の分岐光路に渡って配置される、１個の光路遮蔽部２０５で遮蔽する分岐光路の選択を行う方法が可能である。光路遮蔽部以外の構成要素２０１〜２１１については、図１の１０１〜１１１と同様の構成および機能を持つ。図２の場合、１個の遮蔽部材を用いて、一方の分岐光路を遮蔽すると同時に他方の分岐光路を遮蔽しないことにより、光路選択が可能である。また、遮蔽する光路を変えることで、遮蔽部材を２個用いて分岐光路を選択する事と同様の目的が果たせる。特に、分岐光路の違いが少ない場合は、遮蔽部材を１個とすることは有効な手法である。
【００２２】
（反射部材を１個とする構成）
第１の分岐光路と第２の分岐光路の光路に異なる２つの反射部材を配置するだけの明確な光路差を設ける事が出来ない場合、両者の分岐光路を分離するために、図３に示すように反射部に角度の異なる２面の反射面を有する反射部材３０７を用いる事が可能である。図３において、レーザー媒質を励起する励起光３０１、出力部３０２、レーザー媒質３０３、光路分岐部であるプリズム３０４、共通光路３０９は、図１および図２と同様の構成および機能を持つ。ここでは図２と同じく、光路遮蔽部を１個としている。プリズム３０４で分岐した第１の分岐光路３１０と第２の分岐光路３１１上に跨るように光路遮蔽部３０５を設置し、第１の分岐光路３１０の反射部と第２の分岐光路３１１の反射部として、反射部材３０７を用いる。この場合、発振させる波長において、プリズム３０４の屈折率から考慮される光路角度ずれに対応して、各波長の光束が反射して共振するような反射部材３０７とする必要がある。
【００２３】
（反射部材としてプリズムを用いる構成）
また、反射部材３０７の代わりに、図４に示すような内部反射を用いるプリズム反射部材４０７を利用することも可能である。プリズム反射部材４０７は、入射光を入射面に対してブリュースター角となるように配置した直角二等辺三角形の面を有しており、リトロ分散プリズムと称する。反射面には発振波長に対する誘電体反射膜を反射面に施す。このとき、共振器の構成部材は、図３と同様のレーザー媒質を励起する励起光、出力部、レーザー媒質、光路分岐部であるプリズムである。図４には第１の分岐光路４１０、第２の分岐光路４１１を示した。さらに、反射面が異なる２面を有するプリズムであることを、プリズム下方の２本の点線にて示した。プリズム反射部材は、入射面に各波長に対応した誘電体反射防止膜を施していれば、リトロ分散プリズムでなくてもよい。
【００２４】
上記の各構成では、２波長を分岐する手法を示したが、反射部材、および反射部材の反射面を増やすことにより２波長以上の波長選択機構とすることも可能である。
【００２５】
（平行平板を用いる基本的な構成）
図５は本発明の実施形態の一例を示す構成図である。
図１に示した実施形態とは異なり、図５では共振光路選択手段として、平行平板５０５を用いている。図５（ａ）は平行平板５０５が光路に挿入されている場合であり、図５（ｂ）は挿入されていない場合であり、それぞれ分岐光路が異なる。図５（ａ）に示すように、平行平板５０５ａが共通光路５０９に挿入されている場合、光路の平行ずれが生じる。すなわち平行平板は、共通光路上の位置と、共通光路外の位置を移動可能である。共通光路５０９と、平行ずれ光路５１２と、第２の分岐光路５１１を光路とし、出力部５０２と第２の反射部材５０８により共振器を形成する。一方、図５（ｂ）に示すように、平行平板５０５ｂが共通光路５０９に挿入されていない場合、共通光路５０９と、第１の分岐光路５１０を光路とし、出力部５０２と第１の反射部材５０７により共振器を形成する。
平行平板５０５は、屈折率が大きく、レーザー損傷耐性の高い材料から成ることが好ましく、石英などが好適である。平行平板５０５における反射損失を低減するために、平行平板５０５は、共通光路上の位置にあるとき、入射光に対してブリュースター角で設置する事が好ましい。しかしながら、入射出両面には誘電体反射防止膜を備えることも好ましい一形態である。
それぞれ所望の波長で共振するように反射部材の位置を設定し、平行平板５０５をパルス毎に制御して移動させることにより異なる２波長で発振するレーザー装置となる。平行平板の移動は、直線駆動でも構わないが、より安定に制御するために平行平板の入射及び反射面位置が変化しないように回転する回転駆動により共通光路５０９の光路内および光路外を切り替える駆動も好ましい一形態である。
本実施形態では共振光路内部に駆動部材が挿入されるが、光路が平行に移動するだけであるため、駆動部にわずかなずれが生じても光路の角度ずれが生じる可能性は低く、安定した共振状態を維持する。
【００２６】
（平行平板を２個用いる構成）
光路の平行ずれをより大きくするためには、図５に示す平行平板５０５の代わりに、図６に示すように、移動平行平板６０５と固定平行平板６１３を用いても良い。すなわち、移動平行平板６０５を共通光路に挿入した場合に形成される第１の平行ずれ光路６１２上に固定平行平板を設置しておくことで、さらに平行ずれの大きな第２の平行ずれ光路６１４を形成することが可能となる。
なお、移動平行平板を厚くすることによっても平行ずれを大きくすることは可能であるが、可動部材の重量が増す欠点を有する。そこで、図６のように平行平板を２枚に分けることにより、移動平行平板の重量を増すことなく平行ずれ幅を広げることが可能となる。
【００２７】
（楔形光学部材を用いる構成）
また、図７に示すように、平行平板の代わりに２個の楔形光学部材を一組みとした楔形光学部材対７０５を、平行平板５０５の代わりとして用いる事も可能である。共通光路７０９と平行ずれ光路７１２の間に楔形光学部材対７０５を挿入する。本部材を用いることにより、光路差をより明確に付ける事が可能となる。
【００２８】
（平行平板により３波長以上を分離する構成）
平行平板を用いて分岐光路差を付ける手法は、図１のプリズム１０４のみを用いる方法と比べて、より容易に光路を分離することができる。従って、平行平板を用いる方法によれば、３波長以上の発振波長を選択するレーザーを容易に構成することができる。図１４に平行平板を用いて３波長を選択するレーザーを示す。
図１４には、レーザー媒質を励起する励起光１４０１、出力部１４０２、レーザー媒質１４０３、光路分岐部であるプリズム１４０４、第１の分岐光路１４１０、第２の分岐光路１４１１、第三の分岐光路１４１２が含まれる。図１４にはまた、それぞれの分岐光路の反射部として第１の反射部材１４０６、第２の反射部材１４０７、第三の反射部材１４０８、共通光路１０９が含まれる。
平行平板をオプティカルコンタクトにて接着して厚みの異なる部分を有する平行平板１
４０５を用意する。共通光路１４０９に、異なる厚みを有する平行平板１４０５を挿入する。このとき挿入する位置を変化させると、その位置に応じて平行平板の厚みが異なるので、平行平板中を通る光路の長さが変わり、光路ずれ量も変わる。これにより、３つの分岐光路に対応する共振器構造を形成し３波長発振のレーザー装置とすることが可能となる。ここでは、オプティカルコンタクトにより接着した平行平板の例を示したが、図６のように複数枚の平行に配置した平行平板により光路ずれ量を多段設けることにより、多数波長発振のレーザーとすることも可能である。
【００２９】
（分岐用偏光子と共振光路選択部を用いる構成）
上記実施形態では光路分岐部にプリズムを用いた例を示したが、共振器サイズを短縮するためには、波長毎に対応する固定反射部の位置を少なくとも、波長毎のビーム形状分分離する手段が必要となる。一方、下記実施形態では、使用する光学部材を増やすことなく明確な光路分離が可能なより好ましい形態である。
図８は本発明の実施形態の一例を示す構成図である。
図中には、レーザー媒質を励起する励起光８０１、出力部８０２、レーザー媒質８０３、光路分岐部である分岐用偏光子８０４、共振光路選択部８０５としての偏光回転部材が含まれる。共振光路選択部としての偏光回転部材とは例えば、ポッケルスセルまたはファラデー回転子である。図中にはまた、第１の分岐光路８１０の反射部として第１の反射部材８０７、第２の分岐光路８１１の反射部として第２の反射部材８０８、共通光路８０９が含まれる。
第１の反射部材８０７、第２の反射部材８０８は、それぞれレーザー媒質８０３の発振帯域内の所望の波長を反射し、それぞれ第１の分岐光路８１０、第２の分岐光路８１１を光路とする共振器を構成する。反射部材に所望の波長が反射する誘電体反射膜を付与する。誘電体反射膜で反射する波長以外は共振器内での損失が大きいためレーザー発振できず、発振波長が固定される。そこで、反射部材８０７と反射部材８０８に付与する誘電体反射膜により反射する波長領域を異ならせることで、所望の２波長領域が反射するレーザー発振器となる。
発振レーザーの波長幅は、光路分岐部にプリズムを用いた図１のような実施形態とは異なり、反射部材に付与した誘電体反射膜の特性に依存する。ゆえに数ｎｍ以下の狭帯域の波長で発振させることは困難である。狭帯域発振を可能にする容易な方法として、反射部材を図８に示すような誘電体反射膜を付与した平板部材から図４に示すようなリトロ分散プリズムに変更する方法がある。リトロ分散プリズムの分散に合わせて所望の波長が反射して共振するようにそれぞれの分岐光路にそれぞれのプリズム反射部材を用いることで、狭帯域化を図ることが可能である。
分岐用偏光子８０４は、平板型偏光ビームスプリッター等を用いる。共通光路８０９から光束が入射する側を入射面とすると、入射面には、入射光の偏光に依存して透過および反射が選択される誘電体膜を、入射面への対向面となる反射面には、入射した光束が透過するような誘電体反射防止膜を備える。
【００３０】
以下、共振光路選択部８０５にポッケルスセルを用いた場合を説明する。ただし、本実施形態では入射光と反射光の偏光状態を９０°偏光する機構であれば特に制限はないため、ファラデー回転子を用いた場合も同様の構成となる。本形態では、共振光路選択部の制御は各パルス発振の間に行えばよい。
共通光路８０９と第１の分岐光路８１０を光路とするときは、出力部８０２と第１の反射部材８０７よりなる共振器により、第１の波長のレーザーを発振させる。一方、共通光路８０９と第２の分岐光路８１１を光路とするときは、出力部８０２と第２の反射部材８０８よりなる共振器により、第２の波長のレーザーを発振させる。ポッケルスセル８０５に高電圧を印加して、入射光の位相に対して透過光の位相を９０°変えることにより、光路を選択し、レーザー発振する共振器を変えることができる。例えば、入射光の直線偏光がｐ偏光のときは、印加電圧をＯＦＦとすることで透過光の偏光がｐ偏光に維持される。
結果として、分岐用偏光子８０４を透過して第１の波長のレーザー光を発振する。印加電圧をＯＮとし、入射光の直線偏光を９０°回転させて透過光をｓ偏光とすると、分岐用偏光子８０４で反射されて第２の分岐光路を用いた第２の波長のレーザー光が発振する。共振光路選択部にポッケルスセルを用いることにより、機械的可動部のない波長選択機構となる。
【００３１】
本実施形態のレーザーは以下のように制御して利用する。以下励起光８０１により２０Ｈｚの繰り返し周波数で発振するパルスレーザーを例に説明する。
共通光路８０９における偏光方向は、励起方法やレーザー媒質等に依存する。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を励起光に用いたＴｉ：ｓａレーザーでは励起光の偏光方向がＴｉ：ｓａの偏光方向となる。また、Ｔｉ：ｓａの場合は、励起光の吸収特性が偏光に依存するため、励起光を強く吸収するようにＴｉ：ｓａ結晶を配置して、所望の直線偏光とする。フラッシュランプ励起の場合は、レーザー媒質に一軸異方性がある場合は、吸収係数の大きな偏光方向で発振するため、レーザー媒質を所望の偏光で発振するように配置する。また、レーザー媒質８０３とポッケルスセル８０５の間に所望の直線偏光だけ透過するように偏光子を配置することも好ましい一形態である。
ポッケルスセルの印加電圧の切り替えは、第１のパルスと第２のパルスが発振される５０ｍｓ以内で行う。また、印加電圧をかける時間を短くするために、電圧印加時間は発振に係わる時間だけ維持する。すなわち、レーザー励起の場合は、励起光８０１をレーザー媒質８０３に入射する前に電圧印加を開始し、共振してレーザー発振が終了後に印加電圧を止めれば良い。フラッシュランプ励起でＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）によりパルス発振するレーザーの場合は、Ｑ−ｓｗにより共振器のＱ値を高くし、パルス発振する前に共振光路選択部のポッケルスルの印加電圧をＯＮ状態とする。そして、共振が起こった後、レーザー発振が終了した後に印加電圧を止めれば良い。
共振光路選択部による偏光状態の電気的制御を、パルス毎に同期させて制御する事により、任意の波長を発振させることが可能である。
【００３２】
（分岐用偏光子と共振光路選択部、遮蔽部材を用いる構成）
図９は本発明の実施形態の一例を示す構成図である。
図中には、レーザー媒質を励起する励起光９０１、出力部９０２、レーザー媒質９０３、光路分岐部である分岐用偏光子９０４、共振光路選択部およびＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）を兼用したポッケルスセル９０５が含まれる。図中にはまた、Ｑ−ｓｗの構成部材である第１の偏光子９０６、第１の分岐光路９１０の反射部として第１の反射部材９０７、第２の分岐光路９１１の反射部として第２の反射部材９０８が含まれる。図中にはまた、第１の分岐光路９１０の遮蔽部である第１の遮蔽部材９１３、第２の分岐光路９１１の遮蔽部である第２の遮蔽部材９１４、共通光路９０９が含まれる。
図８で示した実施形態とは異なり、本実施形態は、ポッケルスセル９０５がジャイアントパルスを発振させるＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）であり、Ｑ−ｓｗの駆動が共振光路選択部の役割を兼ね備えている。Ｑ−ｓｗ機構には、ポッケルスセルの印加電圧によりλ／４偏光を変える方式とλ／２偏光を変える方式があるが、ここではλ／２偏光制御する方式のＱ−ｓｗとする。また、Ｑ−ｓｗは、第１の偏光子９０６とポッケルスセル９０５より構成される。第１の偏光子９０６の偏光方向は、分岐偏光子９０４を透過する偏光方向であり、ここではｐ偏光を透過させる。
反射部材９０７、反射部材９０８は、図８の実施形態と同様に狭帯域誘電体反射膜で発振波長を選択する場合と、プリズム反射部材を用いて発振波長を選択する場合とが可能である。
【００３３】
本実施形態のレーザーは以下のように制御して利用する。以下、励起光２０Ｈｚの繰り返し周波数で発振するパルスレーザーを例に説明する。
第１のパルスにより、共通光路９０９と分岐光路９１０を光路とする共振器にて第１の
波長のレーザー発振をさせる場合、以下に示す工程１を実施する。
（工程１）第１の光路遮蔽部９１３を開け、第２の光路遮蔽部９１４を閉じる。励起光９０１のフラッシュランプがレーザー媒質９０３を照射する前にポッケルスセル９０５に電圧を印加する。レーザー媒質からの自然放出光の一部が第１の偏光子９０６を透過する。透過光の偏光方向はｐ偏光である。ポッケルスセルを透過した光束は、偏光方向が９０°回転しｓ偏光の直線偏光となる。分岐偏光子９０４により光束は反射されるが、光束は第２の遮蔽部材９１４が閉じているため透過できない。この状態でレーザー媒質９０３の反転分布密度が高くなるまで維持し、照射出力が最大となるタイミングでポッケルスセルの印加電圧を切る。この際に、ポッケルスセル９０５を透過する光束はｐ偏光のままとなり、分岐偏光子９０４を透過して共通光路９０９と分岐光路９１０を光路とする共振器のＱ値が高くなりレーザー発振する。すなわち、印加電圧がＯＦＦ状態とすることでレーザー発振する。
【００３４】
第２のパルスで第１の波長を発振させる場合は、上記工程１を繰り返す。第２のパルスで第２の波長を発振させる場合は、以下の工程２を実施する。
（工程２）第１の光路遮蔽部９１３を閉じ、第２の光路遮蔽部９１４を開ける。第１のパルス発振後、ポッケルスセル９０５の電圧はＯＦＦ状態である。励起光９０１のフラッシュランプがレーザー媒質９０３を照射し、レーザー媒質からの自然放出光の一部が第１の偏光子９０６を透過する。透過光の偏光方向はｐ偏光である。ポッケルスセルを透過した光束は、偏光方向が維持され、分岐偏光子９０４を光束は透過する。しかしながら、光束は第１の遮蔽部材９１３が閉じているため透過できない。この状態でレーザー媒質９０３の反転分布密度が高くなるまで維持し、照射出力が最大となるタイミングでポッケルスセルに電圧を印加する。この際に、ポッケルスセル９０５を透過する光束はｓ偏光に変わり、分岐偏光子９０４を反射して共通光路９０９と分岐光路９１１を光路とする共振器のＱ値が高くなりレーザー発振する。すなわち、印加電圧がＯＮ状態となることでレーザー発振し、レーザー発振が終了するまでＯＮ状態を維持する。反射部材９０８で反射した光束の直線偏光がｓ偏光状態を維持し、再度偏光子９０４で反射される。ポッケルスセルの電圧がＯＮ状態であるため、ポッケルスセル透過後はｐ偏光となり、第１の偏光子を透過することができるため、高Ｑ値を有する共振器が形成される。
【００３５】
第２のパルスで第２の波長を発振させる場合は、上記工程２を繰り返す。第３のパルスで第１の波長を発振させる場合は、再度工程１を実施する。
ポッケルスセル９０５を駆動するドライバーには、電圧ＯＦＦの際に発振する工程１と、電圧ＯＮ時の際に発振する工程２では異なるドライバーを用いる。特に工程２では、電圧ＯＮ状態は印加電圧の立ち上がりを急峻にし、かつレーザー媒質に蓄積された反転分布エネルギーがレーザー光出力に変換され、レーザー発振が終了するまでＯＮ状態を維持する必要がある。波長の選択に基づき利用するドライバーを変更するように電気回路にて選択する。
【００３６】
上記の各構成に記載したように、本発明によるレーザー発振器をＰＡＴ装置に搭載することにより、波長ずれや光路ずれを長期間において考慮する必要の少ない、２波長以上の安定発振するレーザー光を選択的に生体に照射することが可能となる。特に、血液中に存在するヘモグロビンの酸化状態を判別することにより、血液由来の生体内の機能情報を抽出する事ができる。酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収係数が８００ｎｍ付近で交差するため、８００ｎｍ前後の波長領域を用いたＰＡＴ装置から血液状態を判別する事ができる。
【００３７】
本発明のレーザー装置を用いることで、レーザーパルス毎に必要なだけ所望の波長を照射することが可能となり、以下のような特徴を有するＰＡＴ装置となる。
超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを、固定した生体部位上で走
査する固定型ＰＡＴ装置が考案されている。パルス毎に発振波長を切り替えることで、ＰＡＴプローブの走査速度を速めた場合にも、ほぼ同位置から、異なる波長の照射光に基づく光音響波を取得することが可能となり、迅速な診断が可能となる。また、ほぼ同時間、同部位から、異なる波長の照射光に基づく光音響波を取得することが可能となるため、呼吸などによる測定位置ずれなどの影響を軽減できる。すなわち、２波長の照射光による受信信号を高精度に比較する事が可能となる。
【００３８】
従来の超音波診断装置に光音響波取得機能を付与したハンドヘルド型ＰＡＴ装置も考案されている。ハンドヘルド装置の場合、使用する医療従事者が任意の場所、任意のタイミングでＰＡＴプローブを走査する。上記固定型ＰＡＴ装置と同様にハンドヘルド型ＰＡＴ装置でも、パルス毎に発振波長が変化することにより、利用時の発振波長を考慮する事なく装置を扱うことが可能となり非常に有用である。
波長選択に伴う発振安定性の高い本発明のレーザー装置を搭載するＰＡＴ装置では、繰り返し周波数が高まった場合においても、不安定化に対する考慮が不要であり、パルス毎に安定した発振が可能となる。
数パルスまたは数十パルス毎に波長を切り替えるような場合にも、発振安定性に問題がないため多くの使い方が可能となる。特に、図８のような偏光を用いた形態では、電気的な信号だけで波長切り替えが可能であり、予め発振波長をプログラムしたような使い方にも簡便に対応できるため、ＰＡＴ装置での利用に際して広い応用性を有する。
【００３９】
上記構成において、光路分岐部は本発明の分岐手段に相当する。共振光路選択部は本発明の選択手段に相当する。反射部は本発明の反射手段に相当する。光路遮蔽部は本発明の遮蔽部材に相当する。誘電体反射防止膜は本発明の反射防止膜に相当する。誘電体反射膜は本発明の反射膜に相当する。
【００４０】
＜実施例１＞
以下に医療用光音響トモグラフィー装置（医療用ＰＡＴ装置）に用いるレーザー装置の一実施例を示す。
図１０は、本医療用ＰＡＴ装置に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を励起源とするチタンサファイアレーザーであり、波長８５０ｎｍと７００ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光が繰り返し周波数１０Ｈｚで駆動する。出力は１００ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。チタンサファイアレーザーの構成は以下の通りである。励起部分は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を発生する励起光源１００１、励起光用ビームスプリッター１００２、励起光用反射部材１００３である。チタンサファイアの共振器部は、出力鏡１００４、レーザー媒質であるチタンサファイア結晶１００５、光路分岐部である分岐プリズム１００６、共振光路選択部である光路遮蔽部１００８、反射部材である反射プリズム１００７により構成される。光路分岐部（分岐プリズム１００６）は２つのプリズムにより形成される。共振光路選択部（光路遮蔽部１００８）は、分岐された分岐光路上に設置される。反射部材（反射プリズム１００７）は、波長８５０ｎｍ、７００ｎｍそれぞれの波長の光束を反射し、共振可能とする２つの反射面を有する反射プリズムである。
各光路は、７００ｎｍのレーザー光の共振光路となる第１の分岐光路１０１０、波長８５０ｎｍのレーザー光の共振光路となる第２の分岐光路１０１１、共通光路１００９である。共通光路１００９を３００ｍｍ以下とし、反射プリズム１００７と、分岐プリズム１００６のうち反射プリズム１００７に近い方との間隔はおよそ１１２ｍｍとした。共振器のサイズは特に限定するものではないが、本実施例では２つの分岐光路を分けることができ、かつ共振器サイズが大型化しないサイズとして例示している。
【００４１】
励起光は、チタンサファイア結晶の入射面に対してｐ偏光を有する。チタンサファイアレーザーの発振もｐ偏光を維持している。分岐プリズム１００６は石英からなる頂角６９
．０７°とするブリュースター分散プリズムであり、波長８００ｎｍの入射面が入射光に対してブリュースター角となるように配置されている。２つのプリズムを用いることにより発振波長７００ｎｍと８５０ｎｍにおける光路の角度にある程度の違いを付けている。反射プリズム１００７は分岐プリズムの頂角に対して１／２の角度の頂角を有するリトロ分散プリズムであり、入射面が入射光に対してブリュースター角付近となるように設置する。反射面は図１０に示すように第１の分岐光路１０１０、第２の分岐光路１０１１に応じて異なる面を有し、波長８５０ｎｍと７００ｎｍが反射し共振器を形成するようにする。反射面にはそれぞれの波長に対する誘電体反射膜を付与している。
光路遮手段１００８は、それぞれの分岐光路を交互に、独立に遮蔽できるシャッターである。
【００４２】
上記レーザー装置を用いて、第一パルスを７００ｎｍ、第二パルスを８５０ｎｍとし、パルス毎に交互に波長を変えながらレーザー発振を行った。第一パルス発振前に、第２の分岐光路１０１１を遮蔽した。励起源１００１より発振した波長５３２ｎｍの励起光によりチタンサファイアを励起し、第１の分岐光路１０１０を通る光路で共振し、出力鏡１００４より波長７００ｎｍのレーザー光を射出した。第１のパルス後、光路遮蔽部１００８のシャッターを切り替えて第１の分岐光路１０１０を遮蔽した。その後、第２のパルスのための励起光が励起源１００１より照射されて、第２の分岐光路１０１１を通る光路で共振し、出力鏡１００４より波長８５０ｎｍのレーザー光を射出した。
このとき、出力光の波長およびエネルギーをパルス毎に測定した。波長は、７００ｎｍと８５０ｎｍが交互に射出されて、パルス毎のエネルギー安定性は、励起光の第二高調波の安定性とほぼ同等であり、非常に安定した発振が得られた。
【００４３】
本レーザーは、波長変換に係わる機構において、特に発振する共振器の光路に機械的な可動機構を持たないため、長期安定性に優れておりアライメントずれ等が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、さらに共振器内部での各光学部品での光エネルギー損失も低い。ゆえに、出力エネルギー１００ｍＪ／ｐｕｌｓｅという高い照射エネルギーが得られた。
本レーザー装置を超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを固定した生体部位上で走査する固定型ＰＡＴ装置に組み込んだ。生体模倣サンプルの比較的広い測定範囲を、繰り返し周波数は２０Ｈｚで走査した。パルス毎に７００ｎｍと８５０ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。その結果、本発明のレーザー装置を用いることにより、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。
【００４４】
＜実施例２＞
以下に医療用光音響トモグラフィー装置（医療用ＰＡＴ装置）に用いるレーザー装置の一実施例を示す。
図１１は、本医療用ＰＡＴ装置に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を励起源とするチタンサファイアレーザーであり、波長８００ｎｍと７５５ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光が繰り返し周波数２０Ｈｚで駆動する。出力は１２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。チタンサファイアレーザーの構成は以下の通りである。励起部分は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を発生する励起光源１１０１、励起光用ビームスプリッター１１０２、励起光用反射部材１１０３である。チタンサファイアの共振器部は、出力鏡１１０４、レーザー媒質であるチタンサファイア結晶１１０５、光路分岐部である分岐プリズム１１０６、光路分岐部である平行平板１１０７である。反射部材は、波長８００ｎｍの光束を反射する第１の反射板１１０８、波長７５５ｎｍの光束を反射する第２の反射板１１０９で構成される。各光路は、８００ｎｍのレーザー光の共振光路となる第１の分岐光路１１１０、波長７５５ｎｍのレーザー光の共振光路となる第２の分岐光路１１１１、共通光路１１１３、平行平板により
生じる平行ずれ光路１１１２である。
【００４５】
励起光は、チタンサファイア結晶の入射面に対してｐ偏光を有する。チタンサファイアレーザーの発振もｐ偏光を維持している。平行平板１１０７の入射面が入射光に対してブリュースター角となるように配置され、反射によるエネルギー損失を最小化している。第１の反射部材１１０８および第２の反射部材１１０９の反射面には、各波長７５５ｎｍと８００ｎｍの光束が反射するように誘電体反射防止膜を備えている。二つの反射面の反射角度差は０．１°程度となる。
平行平板１１０７は、厚さ２０ｍｍの石英を用いた。平行平板の形状は、入射反射面となる部分が円形状に一部欠けている。平行平板は、入射反射面に垂直な回転軸を有し、回転軸は共通光路１１１３から外れた位置である。このようにして平行平板が回転駆動することにより、光路に平行平板１１０７が挿入される場合、挿入されない場合を安定的に作り出すことが可能である。波長８００ｎｍで発振する時に共通光路１１１３内に挿入され、平行ずれ光路１１１２を形成する。波長７５５ｎｍで発振する際には共通光路１１１３内に挿入されない。
分岐プリズム１１０６は、入射面が、波長８００ｎｍの入射光に対してブリュースター角となるように配置されるブリュースター分散プリズムを用いた。頂角は６９．０７°である。
【００４６】
上記レーザー装置を用いて、第一パルスを８００ｎｍ、第二パルスを７５５ｎｍとし、パルス毎に交互に波長を変えながらレーザー発振を行った。第一パルス発振前に、平行平板１１０７を共通光路１１１３に挿入した。励起源１１０１より発振した波長５３２ｎｍの励起光によりチタンサファイアを励起し、第１の分岐光路１１１０を通る光路で共振し、出力鏡１１０４より波長８００ｎｍのレーザー光を射出した。第１のパルス後、平行平板１１０７を共通光路１１１３より外した。その後、第２のパルスのための励起光が励起源１１０１より照射されて、第２の分岐光路１１１１を通る光路で共振し、出力鏡１１０４より波長７５５ｎｍのレーザー光を射出した。
このとき、出力光の波長およびエネルギーをパルス毎に測定した。波長は、８００ｎｍと７５５ｎｍが交互に射出されて、パルス毎のエネルギー安定性は、励起光の第二高調波の安定性とほぼ同等であり、非常に安定した発振が得られた。
【００４７】
本レーザーは、波長変換に係わる機構において、共振を妨げるような光路ずれをもたらす駆動部品を持たない。平行平板は移動するものの、安定的な回転駆動である。波長は光路の角度ずれが生じないため常に一定方向を有するため、波長再現性は非常に高い。結果として長期安定性に優れておりアライメントずれ等によるエネルギー低下などの問題が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、さらに共振器内部での各光学部品での光エネルギー損失も低い。ゆえに、出力エネルギー１２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅの高い照射エネルギーが得られた。
本レーザー装置を超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを固定した生体部位上で走査する固定型ＰＡＴ装置に組み込んだ。測定サンプルに酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンを模倣した血管を有する生体模倣サンプルを用いた。繰り返し周波数は２０Ｈｚで走査した。パルス毎に７００ｎｍと８５０ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。本発明のレーザー装置を用いた場合、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。
【００４８】
＜実施例３＞
以下に医療用光音響トモグラフィー装置（医療用ＰＡＴ装置）に用いるレーザー装置の一実施例を示す。
図１２は、本医療用ＰＡＴ装置に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、フラッシュランプ１２１４を励起源とするアレクサンドライトレーザーであり
、波長８００ｎｍと７５５ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光が繰り返し周波数２０Ｈｚで駆動する。出力は２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。アレクサンドライトレーザーの構成は以下の通りである。フラッシュランプ１２１４を励起光としアレクサンドライト結晶１２０３とともにチャンバー１２０１内に設置されている。ジャイアントパルス発振のためにポッケルスセル１２１２およびλ／４波長板１２１３により構成されるＱ−ｓｗが共通光路１２０９上に設置されている。共振光路選択部はポッケルスセル１２０５で構成される。また、出力鏡１２０２、光路分岐部である偏光子１２０４、波長７５５ｎｍの共振器を形成する第１の分岐光路１２１０の反射部として第１の反射プリズム１２０７、第２の分岐光路１２１１の反射部として第２の反射プリズム１２０８が含まれる。
【００４９】
アレクサンドライトレーザーがフラッシュランプ励起されて、Ｑ−ｓｗ駆動により大出力パルスが発振する。発振される光束の偏光方向は紙面面内でありｐ偏光である。
偏光子１２０４は、ｐ偏光を透過しｓ偏光を反射する。反射プリズム１２０７は入射光に対してブリュースター角となるように配置する。反射面には波長８００ｎｍを反射する誘電体反射膜を備えている。反射プリズム１２０８は入射面に波長７５５ｎｍにおける誘電体反射防止膜、反射面に波長７５５ｎｍを反射する誘電体反射膜を備えている。共振光路選択用のポッケルスセル１２０５には、入射光の偏光をλ／２回転させる電圧を印加することで、共振光路を選択する。
【００５０】
上記レーザー装置を用いて、第一パルスを８００ｎｍ、第二パルスを７５５ｎｍとし、パルス毎に交互に波長を変えながらレーザー発振を行った。第一パルス発振前に、共振光路選択用のポッケルスセル１２０５への電圧をＯＦＦとする。フラッシュランプ１２１４を照射後、アレクサンドライト結晶における反転分布密度が十分に高くなるタイミングでＱ−ｓｗを駆動する。この際、共振器内部の光束の偏光方向はｐ偏光であり、ポッケルスセル１２０５を透過した偏光はｐ偏光を維持し、偏光子１２０４を透過して第１の分岐光路を通り共振し出力鏡１２０２より波長８００ｎｍのレーザー光が発振した。
レーザー発振後、次のパルス発振のためのフラッシュランプ照射前にポッケルスセル１２０５に電圧を印加し、電圧ＯＮ状態を第２のレーザーパルス発振が終了するまで維持した。ポッケルスセルを透過する光束の偏光は９０°回転し、ｓ偏光となり偏光子１２０４により反射し第２の分岐光路を通り共振し出力鏡１２０２より波長７５５ｎｍのレーザー光が発振した。
このとき、出力光の波長およびエネルギーをパルス毎に測定した。波長８００ｎｍと７５５ｎｍが交互に射出されて、パルス毎のエネルギー安定性は、共振器分岐のない固定波長を発振するアレクサンドライトレーザーの安定性とほぼ同等であり、非常に安定した発振が得られた。
【００５１】
本レーザーは、波長変換に係わる機構において、機械的な駆動部品のない構造である。ゆえに、波長再現性および発振エネルギー出力の安定性は非常に高い。結果として長期安定性に優れておりアライメントずれ等によるエネルギー低下などの問題が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、偏光子１２０４において、１％以下のエネルギー損失があるが、各光学部品での光エネルギー損失が比較的低い。ゆえに、出力エネルギー２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅの高い照射エネルギーが得られた。
本レーザー装置を超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを固定した生体部位上で走査する固定型ＰＡＴ装置に組み込んだ。測定サンプルに酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンを模倣した血管を生体表面から３０ｍｍの深さに配置した生体模倣サンプルを用いた。繰り返し周波数は２０Ｈｚで走査した。パルス毎に７００ｎｍと８５０ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。本発明のレーザー装置を用いた場合、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。
【００５２】
＜実施例４＞
以下に医療用光音響トモグラフィー装置（医療用ＰＡＴ装置）に用いるレーザー装置の一実施例を示す。
図１３は、本医療用ＰＡＴ装置に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、フラッシュランプ１３１５を励起源とするアレクサンドライトレーザーであり、波長８００ｎｍと７５５ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光が繰り返し周波数２０Ｈｚで駆動する。出力は２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。アレクサンドライトレーザーの構成は以下の通りである。フラッシュランプ１３１５を励起光としアレクサンドライト結晶１３０３とともにチャンバー１３０１内に設置されている。また、出力鏡１３０２、光路分岐部である偏光子１３０４、共振光路選択部、およびＱ−ｓｗを兼用するポッケルスセル１３０５、Ｑ−ｓｗの構成部品としての偏光子１３０６が含まれる。また、波長８００ｎｍの共振器を形成する第１の分岐光路１３１０の反射部材１３０７、波長７５５ｎｍの共振器を形成する第２の分岐光路１３１１の反射部材１３０８、共通光路１３０９が含まれる。また、第１の分岐光路１３１０上に設置した第１の遮光部材１３１３、第２の分岐光路１３１１上に設置した第１の遮光部材１３１４が含まれる。
偏光子１３０６は、ｐ偏光を透過する。ここでは、紙面面内がｐ偏光の偏光方向であり、紙面垂直がｓ偏光の偏光方向である。
ポッケルスセル１３０５に印加する電圧は、入射光の偏光を９０°回転させる電圧とする。反射部材１３０７の反射面には波長８００ｎｍを反射する狭帯域誘電体反射膜を備えており、反射部材１３０８の反射面には波長７５５ｎｍを反射する狭帯域誘電体反射膜を備えている。
【００５３】
上記レーザー装置を用いて、第一パルスを８００ｎｍ、第二パルスを７５５ｎｍとし、各波長をパルス毎に交互に変えながらレーザー発振を行った。第一パルス発振前に、第１の遮蔽部材１３１３を開き、第２の遮蔽部材１３１４を閉じた。さらに、フラッシュランプ１３１５を照射する前にポッケルスセル１３０５に電圧を印加し、次いでフラッシュランプ１３１５を照射する。フラッシュランプ照射時はポッケルスセルにｐ偏光で入射した光束の偏光が回転して偏光となり、偏光子１３０４（偏光ビームスプリッター）で反射される。しかしながら、第２の遮蔽部材により光束が遮蔽される。ゆえに光束は共振できずアレクサンドライト結晶の反転分布密度が高くなる。このタイミングでポッケルス１３０５セルの印加電圧をＯＦＦとすると、ポッケルスセルを透過する光束の偏光状態はｐ偏光のまま維持される。そのため、偏光ビームスプリッター１３０４を透過した光束は第１の分岐光路１３１０を通り出力鏡１３０２と反射部材１３０７からなるＱ値の高い共振器で共振されて波長８００ｎｍのレーザー光が発振する。
第一パルス発振後、第二パルスのためのフラッシュランプ１３１５を照射する前に、第１の遮蔽部材１３１３を閉じ、第２の遮蔽部材１３１４を開いた。さらに、フラッシュランプ１３１５を照射する前にポッケルスセル１３０５には電圧印加しない状態を維持し、次いでフラッシュランプ１３１５を照射する。フラッシュランプ照射時はポッケルスセル透過後もｐ偏光を維持し、偏光ビームスプリッター１３０４を透過する。しかしながら、第２の遮蔽部材により光束が遮蔽される。ゆえに光束は共振できずアレクサンドライト結晶の反転分布密度が高くなる。このタイミングでポッケルス１３０５セルの印加電圧をＯＮとすると、ポッケルスセル１３０５により光束の偏光状態が回転しｓ偏光となる。偏光ビームスプリッター１３０４で反射した光束は第２の分岐光路１３１１を通り出力鏡１３０２と反射部材１３０８からなるＱ値の高い共振器で共振されて波長７５５ｎｍのレーザー光が発振する。
本構成により、Ｑ−ｓｗと共振光路選択部を兼用したポッケルスセルを用いて２波長発振可能なパルス発振するレーザー装置となる。
このとき、出力光の波長およびエネルギーをパルス毎に測定した。波長８００ｎｍと７５５ｎｍが交互に射出されて、パルス毎のエネルギー安定性は、共振器分岐のない固定波
長を発振するアレクサンドライトレーザーの安定性とほぼ同等であり、非常に安定した発振が得られた。
【００５４】
本レーザーは、波長変換に係わる機構において、機械的な駆動部品のない構造である。ゆえに、波長再現性および発振エネルギー出力の安定性は非常に高い。結果として長期安定性に優れておりアライメントずれ等によるエネルギー低下などの問題が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、偏光子１２０４において、１％以下のエネルギー損失があるが、各光学部品での光エネルギー損失が比較的低い。ゆえに、出力エネルギー２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅの高い照射エネルギーが得られた。さらに、共振光路選択部に特別な部品を追加する必要がないため、共振器長をコンパクトになるとともに、低コスト化となる利点も有する。
本レーザー装置を超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを固定した生体部位上で走査する固定型ＰＡＴ装置に組み込んだ。測定サンプルに酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンを模倣した血管を生体表面から３０ｍｍの深さに配置した生体模倣サンプルを用いた。繰り返し周波数は２０Ｈｚで走査した。パルス毎に７００ｎｍと８５０ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。本発明のレーザー装置を用いた場合、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。
【符号の説明】
【００５５】
１０２：出力部、１０３：レーザー媒質、１０４：プリズム、１０７：第１の反射部材、１０８：第２の反射部材、１０９：共通光路、１１０：第１の分岐光路、１１１：第２の分岐光路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変なレーザー装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変レーザーを用いた医療用の光音響トモグラフィー装置（ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ装置：ＰＡＴ装置）の開発が進められている（非特許文献１）。生体内部にある腫瘍周囲に集束する血管観察から腫瘍の有無を判断することや、酸化ヘモグロビンや還元ヘモグロビンのスペクトルの違いを応用することで組織の機能解析を行うことが可能であると期待されている。
【０００３】
ＰＡＴ装置は、ナノ秒パルスレーザーを測定部位に照射して、そこで発生する超音波（光音響波）を受信し、受信信号を解析することで画像を得る測定装置である。生体内部では、照射したレーザー強度が生体内の拡散により減衰するため、特に乳房のように比較的深い生体部位から光音響波を取得する場合、パルス当りのエネルギー出力の高いレーザー光が必要とされる。
チタンサファイアレーザーやアレクサンドライトレーザーは、広い利得帯域を有するレーザー媒質を用いて波長可変とした固体レーザーである。波長可変レーザーを所望の波長でレーザー発振させる波長選択機構には、レーザー共振器内にプリズム、回折格子、複屈折板を設置する方法や、音響光学可変波長フィルター（ＡＯＴＦ）を利用する方法（特許文献１）がある。
【０００４】
プリズムを用いる場合、プリズムの屈折率から考慮される波長毎の光路角度ずれに対応して、共振器内で光束を共振させる。プリズム自身を共振器の反射鏡とする場合は、共振器を構成する基板の面内方向にプリズムを機械的に回転させる。プリズムと別に反射鏡を利用する場合は、プリズムを固定し、波長毎の光路角度ずれに対応した位置にある反射鏡を機械的に回転させることで波長選択することも可能である。プリズムと同様にして回折格子を用いた場合も、発振波長に応じて反射鏡を機械的に回転させて波長選択を行う。
複屈折板を用いる場合は、共振する光束の光軸を複屈折板の入射および射出面に対する角度を維持するように、複屈折板を機械的に回転させることにより波長選択を行う。
ＡＯＴＦを用いる場合は、ＡＯＴＦ素子に印加するＲＦ信号により機械的な回転機構を用いることなく波長選択を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５６７２３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ. Ｍａｎｏｈａｒ ｅｔ ａｌ, Ｐｒｏｃ. ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ. ６４３７ ６４３７０２−１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＰＡＴ装置では、酸化ヘモグロビンや還元ヘモグロビンのスペクトルの違いを検出するためには２波長以上のレーザー照射が必要である。測定される信号強度は、生体の状態や測定位置などの測定条件に影響を受けるため、それぞれの波長で得られる信号を比較する場合、波長以外の測定条件を一定に保つことが好ましい。発振パルス毎に波長を変えて測定する場合、生体の体動などの影響を十分低減できると考えられることから、生体状態や
測定位置を一定に維持した測定が容易である。ゆえに、採用する波長可変機構に関わらず、発振パルス毎に波長を変えた場合でも、光路角度ずれや発振波長ずれを抑制する必要がある。また、発振出力が一定であるとともに、選択した複数の波長のそれぞれにおいて、波長が一定である必要がある。さらに、波長可変機構に可動機構を有する場合は、繰り返し可動に対する部材の長期安定性を確保することも必要である。
【０００８】
上記の要求を踏まえた上で、従来の波長可変レーザー装置を医療用ＰＡＴ装置のレーザー光源として用いることを検討すると、以下の課題がある。
従来利用されてきたプリズムや回折格子を波長可変機構として用いる場合ステージ等を用いて反射鏡位置を回転制御する。もし反射鏡の回転位置ずれが起きると、発振波長が変動する。また、あおり角度がずれた場合は、アライメントずれにより発振出力が低下する。このため、発振パルス毎にステージ位置を移動させ、かつ位置精度を安定的に維持する事が必要である。なお、レーザー発振時には駆動ステージを静止させることが必要である。したがって、発振パルスごとにステージの回転と静止を繰り返すことになる。
繰り返し駆動に耐えられるように、ステージや光学素子筐体の駆動部分に、部材の摩擦および摩耗等を考慮した繰り返し信頼性の高い部材を用いることが必要である。しかしながら、信頼性の高い駆動ステージでも、繰り返し駆動に対する部材耐久性には限界がある。一方、レーザーの出力安定性を確保するためには、レーザー使用環境における共振器の熱安定性を維持する事が不可欠である。一般的にレーザー基板にはアルミ基板が用いられるが、部材にアルミ以外の高耐久性部材を用いた場合、部材の違いにより熱膨張率が異なり、共振器全体の熱安定性維持に支障が生じる可能性がある。
【０００９】
複屈折板を用いる波長可変機構は、複数の複屈折板を組み合わせるため、構成要素のサイズが大きな光学部品となる。パルス毎に波長を変える場合、複屈折板の回転と静止を繰り返すため、パルスレーザーの周波数が上がるにつれて、かかる大きな複屈折板を高速で回転制御しなければならないという困難が生じる。また、回転精度に劣化が生じた場合は、選択する波長がずれる問題が生じる。さらに、複屈折板を用いる波長可変機構は高コストであることも問題である。
【００１０】
上述の問題点を踏まえると、波長可変機構としては、波長ずれや光路角度すれをもたらす機械的な可動機構を持たないものが好ましい。
音響光学フィルター（ＡＯＴＦ）を波長可変機構として用いる場合、機械的な可動機構を排除する事が可能である。ＡＯＴＦは、音響光学結晶と超音波トランスデューサーにより構成される。複屈折性を示す音響光学結晶中に超音波を励起すると、超音波の周波数に応じた特定の波長の回折光が、超音波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす方向に強く回折される。励起する超音波の周波数（波数）を変える事により位相整合条件が成立する光の波長が変化する。ＡＯＴＦを共振器内部に設置し、回折した所望の位置に共振器を構成する反射鏡を設置する。さらに、ＡＯＴＦと反射鏡の間にプリズム等の波長分散補正素子を配置することにより、回折角の波長依存性を補償することができる。すなわち、反射鏡を回転させることなく、ＡＯＴＦに印加する超音波のＲＦ電源からのＲＦ信号により所望の波長を選択することが可能となる。
【００１１】
しかしながら、音響光学素子の回折効率は、１次回折光を用いた場合でも、通常は７０〜８０％、高くても９０％迄であり共振器内損失が大きい欠点を有する。ＡＯＴＦで波長選択を行い出力強度の強いレーザー光を得るためには、一次回折光の回折強度を高める必要がある。ＡＯＴＦでは、一次回折光強度は伝搬する超音波の強度となるＲＦ信号強度に依存する。ＡＯＴＦには、素子耐性を超える一定以上のＲＦ信号を印加することができないため、高出力が必要な用途には不向きである。音響光学素子を用いたＱスイッチにおいて、レーザーパワー１００００Ｗ／ｃｍ２程度の製品が実現されていている。しかしながら、ＰＡＴ装置では、パルスエネルギーの高いレーザー光が必要な場合がある。特に医療
用ＰＡＴ装置では、１０ナノ秒程度のパルス幅を有するレーザー装置が多く用いられており、高出力エネルギーが必要なレーザー装置では、レーザーパワーとして１００ＭＷ／ｃｍ２に相当する出力が必要となる。すなわち、ＡＯＴＦを用いて高いエネルギーパルスを発振する波長可変レーザー装置とすることは困難である。
【００１２】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、波長ずれや光路角度ずれをもたらす機械的な可動機構のない波長選択機構を有するレーザー装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は以下の構成を採用する。すなわち、
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、
固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる、偏光子からなる分岐手段であって、前記出力鏡を端部として前記複数の光路に共通する共通光路と、前記反射手段のいずれかの反射面を端部として前記複数の光路ごとに異なる複数の分岐光路と、を形成する分岐手段と、
前記共通光路に配置されたレーザー媒質と、
前記複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択手段と、
を有することを特徴とするレーザー装置である。
【００１４】
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置の制御方法であって、
前記レーザー装置は、
固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる分岐手段であって、前記出力鏡を端部として前記複数の光路に共通する共通光路と、前記反射手段のいずれかの反射面を端部として前記複数の光路ごとに異なる複数の分岐光路と、を形成する分岐手段と、
前記共通光路に配置されたレーザー媒質と、
前記分岐光路に偏光子を有しており、
前記複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択ステップを有することを特徴とするレーザー装置の制御方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、波長ずれや光路角度ずれをもたらす機械的な可動機構のない波長選択機構を有するレーザー装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図２】光路遮蔽部の一形態を示す構成図。
【図３】反射部の一形態を示す構成図。
【図４】反射部材にプリズムを用いる場合の構成図。
【図５】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図６】平行平板を用いた光路選択機構の構成図。
【図７】楔形形状素子を用いた光路選択機構の構成図。
【図８】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図９】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図１０】実施例１における構成図。
【図１１】実施例２における構成図。
【図１２】実施例３における構成図。
【図１３】実施例４における構成図。
【図１４】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の範囲を以下の記載に限定するものではない。
【００１８】
（プリズムを用いる基本的な構成）
図１は本発明の実施形態の一例を示す構成図である。
図中には、レーザー媒質を励起する励起光１０１、出力部１０２、レーザー媒質１０３、光路分岐部であるプリズム１０４、共振光路選択部である分岐された第１の分岐光路１１０上に設置する第１の光路遮蔽部１０５が含まれる。図中にはまた、共振光路選択部である分岐された第２の分岐光路１１１上に設置する第２の光路遮蔽部１０６が含まれる。さらに、第１の分岐光路１１０の端部における反射部としての第１の反射部材１０７、第２の分岐光路１１１の端部における反射部としての第２の反射部材１０８、共通光路１０９が含まれる。
出力部１０２は、所望波長のレーザーを発振するために、発振波長における透過率を規定する誘電体膜が積層している。レーザー媒質１０３は、発振帯域の広い利得媒質からなり、例えば、チタンサファイア（Ｔｉ：ｓａ）、アレクサンドライトなどである。プリズム１０４にて波長分散により光束は分岐される。プリズム１０４の光学素材は、分散が大きく、レーザー損傷閾値の高い材料であることが好ましい。第１の反射部材１０７、第２の反射部材１０８は、それぞれ、レーザー媒質１０３の発振帯域内の所望の波長が反射するように配置され、それぞれの波長に好適な誘電体反射膜を備えている。
励起光１０１としては、ランプや半導体レーザーなどによって励起されたレーザー光や、ランプから発せられた光などを、用途に応じて使用することができる。たとえば、レーザー媒質にＴｉ：ｓａを用いる場合は、主に５００ｎｍ付近のレーザー光で励起する事が多く、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波である５３２ｎｍの波長のレーザー光を用いて励起する事が好ましい一形態である。レーザー媒質にアレクサンドライトを用いる場合は、ランプ励起が好ましい一形態である。また、パルスレーザーとするためには、励起光もパルス駆動する事が必要であり、励起手段にフラッシュランプを利用し、共通光路１０９にポッケルスセル等を用いるＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）を用いても構わない。
【００１９】
本実施形態のレーザーは以下のように制御して利用する。以下励起光１０１により２０Ｈｚの繰り返し周波数で発振するパルスレーザーを例に説明する。
第１の波長のレーザー光が発振するように、第１の光路遮蔽部１０５を開け、第２の光路遮蔽部１０６を閉じる。励起光１０１によりレーザー媒質１０３が励起され、共通光路１０９および第１の分岐光路１１０を光路とし、出力部１０２と第１の反射部材１０７よりなる共振器により、第１の波長のレーザー光が射出する。
レーザー光射出後、第２の波長のレーザー光が発振するように、第１の光路遮蔽部１０５を閉じ、第２の光路遮蔽部１０６を開ける。遮蔽部開閉の制御は、励起光トリガーおよび励起後レーザー光が発振する迄の遅延時間等を考慮し開閉する必要があり、励起光トリガーと同期させて制御することが好ましい。遮蔽部はそれぞれ独立に開閉できる。本例では、パルス毎に発振波長を交互に変える場合を述べている。遮蔽部開閉の制御の安定性のために、繰り返し周波数に同期した開閉を繰り返す回転型の開閉機構などが好ましい形態である。
第２発目のパルス準備のため遮蔽部制御終了後、励起光１０１によりレーザー媒質１０３が励起され、共通光路１０９および第２の分岐光路１１１を光路とし、出力部１０２と第２の反射部材１０８よりなる共振器により、第２の波長のレーザー光が射出する。本操作を繰り返すことにより、２波長のレーザー光を安定的に発振させることができる。
ここでは、パルス毎に交互に波長が変わる例を示したが、遮蔽部の開閉を制御して一方の分岐光を用いる共振器を選択する事により、任意の波長を連続させて発振させることも可能である。遮蔽部開閉の制御をプログラムすることにより、パルス毎に発振する波長の
レーザー光の順序等を予め決めておくことも可能である。
【００２０】
図１では、光路分岐手段として１個のプリズム１０４を用いているが、発振波長の波長差が少ないと分散が小さいため、第１の分岐光路１１０と第２の分岐光路１１１を明確に分けることが困難となる。明確な光路の違いを作るためには長い共振器長が必要となる。これに対して、プリズム１０４を複数個のプリズムにすることにより光路分岐の角度を広げ、分岐光路に違いを作ることが可能となる。ここでは、用いるプリズムの数を限定するものでではない。プリズムは光路の２つの透過面に発振波長の誘電体反射防止膜を付与するか、あるいは、入射光の波長に対して、２つの透過面がブリュースター角となるように配置するブリュースター分散プリズムを用いても良い。
【００２１】
（光路遮蔽部を１個とする構成）
図１のように、分岐光路毎に光路遮蔽部を備える方法の他に、図２に示すように、複数の分岐光路に渡って配置される、１個の光路遮蔽部２０５で遮蔽する分岐光路の選択を行う方法が可能である。光路遮蔽部以外の構成要素２０１〜２１１については、図１の１０１〜１１１と同様の構成および機能を持つ。図２の場合、１個の遮蔽部材を用いて、一方の分岐光路を遮蔽すると同時に他方の分岐光路を遮蔽しないことにより、光路選択が可能である。また、遮蔽する光路を変えることで、遮蔽部材を２個用いて分岐光路を選択する事と同様の目的が果たせる。特に、分岐光路の違いが少ない場合は、遮蔽部材を１個とすることは有効な手法である。
【００２２】
（反射部材を１個とする構成）
第１の分岐光路と第２の分岐光路の光路に異なる２つの反射部材を配置するだけの明確な光路差を設ける事が出来ない場合、両者の分岐光路を分離するために、図３に示すように反射部に角度の異なる２面の反射面を有する反射部材３０７を用いる事が可能である。図３において、レーザー媒質を励起する励起光３０１、出力部３０２、レーザー媒質３０３、光路分岐部であるプリズム３０４、共通光路３０９は、図１および図２と同様の構成および機能を持つ。ここでは図２と同じく、光路遮蔽部を１個としている。プリズム３０４で分岐した第１の分岐光路３１０と第２の分岐光路３１１上に跨るように光路遮蔽部３０５を設置し、第１の分岐光路３１０の反射部と第２の分岐光路３１１の反射部として、反射部材３０７を用いる。この場合、発振させる波長において、プリズム３０４の屈折率から考慮される光路角度ずれに対応して、各波長の光束が反射して共振するような反射部材３０７とする必要がある。
【００２３】
（反射部材としてプリズムを用いる構成）
また、反射部材３０７の代わりに、図４に示すような内部反射を用いるプリズム反射部材４０７を利用することも可能である。プリズム反射部材４０７は、入射光を入射面に対してブリュースター角となるように配置した直角二等辺三角形の面を有しており、リトロ分散プリズムと称する。反射面には発振波長に対する誘電体反射膜を反射面に施す。このとき、共振器の構成部材は、図３と同様のレーザー媒質を励起する励起光、出力部、レーザー媒質、光路分岐部であるプリズムである。図４には第１の分岐光路４１０、第２の分岐光路４１１を示した。さらに、反射面が異なる２面を有するプリズムであることを、プリズム下方の２本の点線にて示した。プリズム反射部材は、入射面に各波長に対応した誘電体反射防止膜を施していれば、リトロ分散プリズムでなくてもよい。
【００２４】
上記の各構成では、２波長を分岐する手法を示したが、反射部材、および反射部材の反射面を増やすことにより２波長以上の波長選択機構とすることも可能である。
【００２５】
（平行平板を用いる基本的な構成）
図５は本発明の実施形態の一例を示す構成図である。
図１に示した実施形態とは異なり、図５では共振光路選択手段として、平行平板５０５を用いている。図５（ａ）は平行平板５０５が光路に挿入されている場合であり、図５（ｂ）は挿入されていない場合であり、それぞれ分岐光路が異なる。図５（ａ）に示すように、平行平板５０５ａが共通光路５０９に挿入されている場合、光路の平行ずれが生じる。すなわち平行平板は、共通光路上の位置と、共通光路外の位置を移動可能である。共通光路５０９と、平行ずれ光路５１２と、第２の分岐光路５１１を光路とし、出力部５０２と第２の反射部材５０８により共振器を形成する。一方、図５（ｂ）に示すように、平行平板５０５ｂが共通光路５０９に挿入されていない場合、共通光路５０９と、第１の分岐光路５１０を光路とし、出力部５０２と第１の反射部材５０７により共振器を形成する。
平行平板５０５は、屈折率が大きく、レーザー損傷耐性の高い材料から成ることが好ましく、石英などが好適である。平行平板５０５における反射損失を低減するために、平行平板５０５は、共通光路上の位置にあるとき、入射光に対してブリュースター角で設置する事が好ましい。しかしながら、入射出両面には誘電体反射防止膜を備えることも好ましい一形態である。
それぞれ所望の波長で共振するように反射部材の位置を設定し、平行平板５０５をパルス毎に制御して移動させることにより異なる２波長で発振するレーザー装置となる。平行平板の移動は、直線駆動でも構わないが、より安定に制御するために平行平板の入射及び反射面位置が変化しないように回転する回転駆動により共通光路５０９の光路内および光路外を切り替える駆動も好ましい一形態である。
本実施形態では共振光路内部に駆動部材が挿入されるが、光路が平行に移動するだけであるため、駆動部にわずかなずれが生じても光路の角度ずれが生じる可能性は低く、安定した共振状態を維持する。
【００２６】
（平行平板を２個用いる構成）
光路の平行ずれをより大きくするためには、図５に示す平行平板５０５の代わりに、図６に示すように、移動平行平板６０５と固定平行平板６１３を用いても良い。すなわち、移動平行平板６０５を共通光路に挿入した場合に形成される第１の平行ずれ光路６１２上に固定平行平板を設置しておくことで、さらに平行ずれの大きな第２の平行ずれ光路６１４を形成することが可能となる。
なお、移動平行平板を厚くすることによっても平行ずれを大きくすることは可能であるが、可動部材の重量が増す欠点を有する。そこで、図６のように平行平板を２枚に分けることにより、移動平行平板の重量を増すことなく平行ずれ幅を広げることが可能となる。
【００２７】
（楔形光学部材を用いる構成）
また、図７に示すように、平行平板の代わりに２個の楔形光学部材を一組みとした楔形光学部材対７０５を、平行平板５０５の代わりとして用いる事も可能である。共通光路７０９と平行ずれ光路７１２の間に楔形光学部材対７０５を挿入する。本部材を用いることにより、光路差をより明確に付ける事が可能となる。
【００２８】
（平行平板により３波長以上を分離する構成）
平行平板を用いて分岐光路差を付ける手法は、図１のプリズム１０４のみを用いる方法と比べて、より容易に光路を分離することができる。従って、平行平板を用いる方法によれば、３波長以上の発振波長を選択するレーザーを容易に構成することができる。図１４に平行平板を用いて３波長を選択するレーザーを示す。
図１４には、レーザー媒質を励起する励起光１４０１、出力部１４０２、レーザー媒質１４０３、光路分岐部であるプリズム１４０４、第１の分岐光路１４１０、第２の分岐光路１４１１、第三の分岐光路１４１２が含まれる。図１４にはまた、それぞれの分岐光路の反射部として第１の反射部材１４０６、第２の反射部材１４０７、第三の反射部材１４０８、共通光路１０９が含まれる。
平行平板をオプティカルコンタクトにて接着して厚みの異なる部分を有する平行平板１
４０５を用意する。共通光路１４０９に、異なる厚みを有する平行平板１４０５を挿入する。このとき挿入する位置を変化させると、その位置に応じて平行平板の厚みが異なるので、平行平板中を通る光路の長さが変わり、光路ずれ量も変わる。これにより、３つの分岐光路に対応する共振器構造を形成し３波長発振のレーザー装置とすることが可能となる。ここでは、オプティカルコンタクトにより接着した平行平板の例を示したが、図６のように複数枚の平行に配置した平行平板により光路ずれ量を多段設けることにより、多数波長発振のレーザーとすることも可能である。
【００２９】
（分岐用偏光子と共振光路選択部を用いる構成）
上記実施形態では光路分岐部にプリズムを用いた例を示したが、共振器サイズを短縮するためには、波長毎に対応する固定反射部の位置を少なくとも、波長毎のビーム形状分分離する手段が必要となる。一方、下記実施形態では、使用する光学部材を増やすことなく明確な光路分離が可能なより好ましい形態である。
図８は本発明の実施形態の一例を示す構成図である。
図中には、レーザー媒質を励起する励起光８０１、出力部８０２、レーザー媒質８０３、光路分岐部である分岐用偏光子８０４、共振光路選択部８０５としての偏光回転部材が含まれる。共振光路選択部としての偏光回転部材とは例えば、ポッケルスセルまたはファラデー回転子である。図中にはまた、第１の分岐光路８１０の反射部として第１の反射部材８０７、第２の分岐光路８１１の反射部として第２の反射部材８０８、共通光路８０９が含まれる。
第１の反射部材８０７、第２の反射部材８０８は、それぞれレーザー媒質８０３の発振帯域内の所望の波長を反射し、それぞれ第１の分岐光路８１０、第２の分岐光路８１１を光路とする共振器を構成する。反射部材に所望の波長が反射する誘電体反射膜を付与する。誘電体反射膜で反射する波長以外は共振器内での損失が大きいためレーザー発振できず、発振波長が固定される。そこで、反射部材８０７と反射部材８０８に付与する誘電体反射膜により反射する波長領域を異ならせることで、所望の２波長領域が反射するレーザー発振器となる。
発振レーザーの波長幅は、光路分岐部にプリズムを用いた図１のような実施形態とは異なり、反射部材に付与した誘電体反射膜の特性に依存する。ゆえに数ｎｍ以下の狭帯域の波長で発振させることは困難である。狭帯域発振を可能にする容易な方法として、反射部材を図８に示すような誘電体反射膜を付与した平板部材から図４に示すようなリトロ分散プリズムに変更する方法がある。リトロ分散プリズムの分散に合わせて所望の波長が反射して共振するようにそれぞれの分岐光路にそれぞれのプリズム反射部材を用いることで、狭帯域化を図ることが可能である。
分岐用偏光子８０４は、平板型偏光ビームスプリッター等を用いる。共通光路８０９から光束が入射する側を入射面とすると、入射面には、入射光の偏光に依存して透過および反射が選択される誘電体膜を、入射面への対向面となる反射面には、入射した光束が透過するような誘電体反射防止膜を備える。
【００３０】
以下、共振光路選択部８０５にポッケルスセルを用いた場合を説明する。ただし、本実施形態では入射光と反射光の偏光状態を９０°偏光する機構であれば特に制限はないため、ファラデー回転子を用いた場合も同様の構成となる。本形態では、共振光路選択部の制御は各パルス発振の間に行えばよい。
共通光路８０９と第１の分岐光路８１０を光路とするときは、出力部８０２と第１の反射部材８０７よりなる共振器により、第１の波長のレーザーを発振させる。一方、共通光路８０９と第２の分岐光路８１１を光路とするときは、出力部８０２と第２の反射部材８０８よりなる共振器により、第２の波長のレーザーを発振させる。ポッケルスセル８０５に高電圧を印加して、入射光の位相に対して透過光の位相を９０°変えることにより、光路を選択し、レーザー発振する共振器を変えることができる。例えば、入射光の直線偏光がｐ偏光のときは、印加電圧をＯＦＦとすることで透過光の偏光がｐ偏光に維持される。
結果として、分岐用偏光子８０４を透過して第１の波長のレーザー光を発振する。印加電圧をＯＮとし、入射光の直線偏光を９０°回転させて透過光をｓ偏光とすると、分岐用偏光子８０４で反射されて第２の分岐光路を用いた第２の波長のレーザー光が発振する。共振光路選択部にポッケルスセルを用いることにより、機械的可動部のない波長選択機構となる。
【００３１】
本実施形態のレーザーは以下のように制御して利用する。以下励起光８０１により２０Ｈｚの繰り返し周波数で発振するパルスレーザーを例に説明する。
共通光路８０９における偏光方向は、励起方法やレーザー媒質等に依存する。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を励起光に用いたＴｉ：ｓａレーザーでは励起光の偏光方向がＴｉ：ｓａの偏光方向となる。また、Ｔｉ：ｓａの場合は、励起光の吸収特性が偏光に依存するため、励起光を強く吸収するようにＴｉ：ｓａ結晶を配置して、所望の直線偏光とする。フラッシュランプ励起の場合は、レーザー媒質に一軸異方性がある場合は、吸収係数の大きな偏光方向で発振するため、レーザー媒質を所望の偏光で発振するように配置する。また、レーザー媒質８０３とポッケルスセル８０５の間に所望の直線偏光だけ透過するように偏光子を配置することも好ましい一形態である。
ポッケルスセルの印加電圧の切り替えは、第１のパルスと第２のパルスが発振される５０ｍｓ以内で行う。また、印加電圧をかける時間を短くするために、電圧印加時間は発振に係わる時間だけ維持する。すなわち、レーザー励起の場合は、励起光８０１をレーザー媒質８０３に入射する前に電圧印加を開始し、共振してレーザー発振が終了後に印加電圧を止めれば良い。フラッシュランプ励起でＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）によりパルス発振するレーザーの場合は、Ｑ−ｓｗにより共振器のＱ値を高くし、パルス発振する前に共振光路選択部のポッケルスルの印加電圧をＯＮ状態とする。そして、共振が起こった後、レーザー発振が終了した後に印加電圧を止めれば良い。
共振光路選択部による偏光状態の電気的制御を、パルス毎に同期させて制御する事により、任意の波長を発振させることが可能である。
【００３２】
（分岐用偏光子と共振光路選択部、遮蔽部材を用いる構成）
図９は本発明の実施形態の一例を示す構成図である。
図中には、レーザー媒質を励起する励起光９０１、出力部９０２、レーザー媒質９０３、光路分岐部である分岐用偏光子９０４、共振光路選択部およびＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）を兼用したポッケルスセル９０５が含まれる。図中にはまた、Ｑ−ｓｗの構成部材である第１の偏光子９０６、第１の分岐光路９１０の反射部として第１の反射部材９０７、第２の分岐光路９１１の反射部として第２の反射部材９０８が含まれる。図中にはまた、第１の分岐光路９１０の遮蔽部である第１の遮蔽部材９１３、第２の分岐光路９１１の遮蔽部である第２の遮蔽部材９１４、共通光路９０９が含まれる。
図８で示した実施形態とは異なり、本実施形態は、ポッケルスセル９０５がジャイアントパルスを発振させるＱスイッチ（Ｑ−ｓｗ）であり、Ｑ−ｓｗの駆動が共振光路選択部の役割を兼ね備えている。Ｑ−ｓｗ機構には、ポッケルスセルの印加電圧によりλ／４偏光を変える方式とλ／２偏光を変える方式があるが、ここではλ／２偏光制御する方式のＱ−ｓｗとする。また、Ｑ−ｓｗは、第１の偏光子９０６とポッケルスセル９０５より構成される。第１の偏光子９０６の偏光方向は、分岐偏光子９０４を透過する偏光方向であり、ここではｐ偏光を透過させる。
反射部材９０７、反射部材９０８は、図８の実施形態と同様に狭帯域誘電体反射膜で発振波長を選択する場合と、プリズム反射部材を用いて発振波長を選択する場合とが可能である。
【００３３】
本実施形態のレーザーは以下のように制御して利用する。以下、励起光２０Ｈｚの繰り返し周波数で発振するパルスレーザーを例に説明する。
第１のパルスにより、共通光路９０９と分岐光路９１０を光路とする共振器にて第１の
波長のレーザー発振をさせる場合、以下に示す工程１を実施する。
（工程１）第１の光路遮蔽部９１３を開け、第２の光路遮蔽部９１４を閉じる。励起光９０１のフラッシュランプがレーザー媒質９０３を照射する前にポッケルスセル９０５に電圧を印加する。レーザー媒質からの自然放出光の一部が第１の偏光子９０６を透過する。透過光の偏光方向はｐ偏光である。ポッケルスセルを透過した光束は、偏光方向が９０°回転しｓ偏光の直線偏光となる。分岐偏光子９０４により光束は反射されるが、光束は第２の遮蔽部材９１４が閉じているため透過できない。この状態でレーザー媒質９０３の反転分布密度が高くなるまで維持し、照射出力が最大となるタイミングでポッケルスセルの印加電圧を切る。この際に、ポッケルスセル９０５を透過する光束はｐ偏光のままとなり、分岐偏光子９０４を透過して共通光路９０９と分岐光路９１０を光路とする共振器のＱ値が高くなりレーザー発振する。すなわち、印加電圧がＯＦＦ状態とすることでレーザー発振する。
【００３４】
第２のパルスで第１の波長を発振させる場合は、上記工程１を繰り返す。第２のパルスで第２の波長を発振させる場合は、以下の工程２を実施する。
（工程２）第１の光路遮蔽部９１３を閉じ、第２の光路遮蔽部９１４を開ける。第１のパルス発振後、ポッケルスセル９０５の電圧はＯＦＦ状態である。励起光９０１のフラッシュランプがレーザー媒質９０３を照射し、レーザー媒質からの自然放出光の一部が第１の偏光子９０６を透過する。透過光の偏光方向はｐ偏光である。ポッケルスセルを透過した光束は、偏光方向が維持され、分岐偏光子９０４を光束は透過する。しかしながら、光束は第１の遮蔽部材９１３が閉じているため透過できない。この状態でレーザー媒質９０３の反転分布密度が高くなるまで維持し、照射出力が最大となるタイミングでポッケルスセルに電圧を印加する。この際に、ポッケルスセル９０５を透過する光束はｓ偏光に変わり、分岐偏光子９０４を反射して共通光路９０９と分岐光路９１１を光路とする共振器のＱ値が高くなりレーザー発振する。すなわち、印加電圧がＯＮ状態となることでレーザー発振し、レーザー発振が終了するまでＯＮ状態を維持する。反射部材９０８で反射した光束の直線偏光がｓ偏光状態を維持し、再度偏光子９０４で反射される。ポッケルスセルの電圧がＯＮ状態であるため、ポッケルスセル透過後はｐ偏光となり、第１の偏光子を透過することができるため、高Ｑ値を有する共振器が形成される。
【００３５】
第２のパルスで第２の波長を発振させる場合は、上記工程２を繰り返す。第３のパルスで第１の波長を発振させる場合は、再度工程１を実施する。
ポッケルスセル９０５を駆動するドライバーには、電圧ＯＦＦの際に発振する工程１と、電圧ＯＮ時の際に発振する工程２では異なるドライバーを用いる。特に工程２では、電圧ＯＮ状態は印加電圧の立ち上がりを急峻にし、かつレーザー媒質に蓄積された反転分布エネルギーがレーザー光出力に変換され、レーザー発振が終了するまでＯＮ状態を維持する必要がある。波長の選択に基づき利用するドライバーを変更するように電気回路にて選択する。
【００３６】
上記の各構成に記載したように、本発明によるレーザー発振器をＰＡＴ装置に搭載することにより、波長ずれや光路ずれを長期間において考慮する必要の少ない、２波長以上の安定発振するレーザー光を選択的に生体に照射することが可能となる。特に、血液中に存在するヘモグロビンの酸化状態を判別することにより、血液由来の生体内の機能情報を抽出する事ができる。酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収係数が８００ｎｍ付近で交差するため、８００ｎｍ前後の波長領域を用いたＰＡＴ装置から血液状態を判別する事ができる。
【００３７】
本発明のレーザー装置を用いることで、レーザーパルス毎に必要なだけ所望の波長を照射することが可能となり、以下のような特徴を有するＰＡＴ装置となる。
超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを、固定した生体部位上で走
査する固定型ＰＡＴ装置が考案されている。パルス毎に発振波長を切り替えることで、ＰＡＴプローブの走査速度を速めた場合にも、ほぼ同位置から、異なる波長の照射光に基づく光音響波を取得することが可能となり、迅速な診断が可能となる。また、ほぼ同時間、同部位から、異なる波長の照射光に基づく光音響波を取得することが可能となるため、呼吸などによる測定位置ずれなどの影響を軽減できる。すなわち、２波長の照射光による受信信号を高精度に比較する事が可能となる。
【００３８】
従来の超音波診断装置に光音響波取得機能を付与したハンドヘルド型ＰＡＴ装置も考案されている。ハンドヘルド装置の場合、使用する医療従事者が任意の場所、任意のタイミングでＰＡＴプローブを走査する。上記固定型ＰＡＴ装置と同様にハンドヘルド型ＰＡＴ装置でも、パルス毎に発振波長が変化することにより、利用時の発振波長を考慮する事なく装置を扱うことが可能となり非常に有用である。
波長選択に伴う発振安定性の高い本発明のレーザー装置を搭載するＰＡＴ装置では、繰り返し周波数が高まった場合においても、不安定化に対する考慮が不要であり、パルス毎に安定した発振が可能となる。
数パルスまたは数十パルス毎に波長を切り替えるような場合にも、発振安定性に問題がないため多くの使い方が可能となる。特に、図８のような偏光を用いた形態では、電気的な信号だけで波長切り替えが可能であり、予め発振波長をプログラムしたような使い方にも簡便に対応できるため、ＰＡＴ装置での利用に際して広い応用性を有する。
【００３９】
上記構成において、光路分岐部は本発明の分岐手段に相当する。共振光路選択部は本発明の選択手段に相当する。反射部は本発明の反射手段に相当する。光路遮蔽部は本発明の遮蔽部材に相当する。誘電体反射防止膜は本発明の反射防止膜に相当する。誘電体反射膜は本発明の反射膜に相当する。
【００４０】
＜実施例１＞
以下に医療用光音響トモグラフィー装置（医療用ＰＡＴ装置）に用いるレーザー装置の一実施例を示す。
図１０は、本医療用ＰＡＴ装置に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を励起源とするチタンサファイアレーザーであり、波長８５０ｎｍと７００ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光が繰り返し周波数１０Ｈｚで駆動する。出力は１００ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。チタンサファイアレーザーの構成は以下の通りである。励起部分は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を発生する励起光源１００１、励起光用ビームスプリッター１００２、励起光用反射部材１００３である。チタンサファイアの共振器部は、出力鏡１００４、レーザー媒質であるチタンサファイア結晶１００５、光路分岐部である分岐プリズム１００６、共振光路選択部である光路遮蔽部１００８、反射部材である反射プリズム１００７により構成される。光路分岐部（分岐プリズム１００６）は２つのプリズムにより形成される。共振光路選択部（光路遮蔽部１００８）は、分岐された分岐光路上に設置される。反射部材（反射プリズム１００７）は、波長８５０ｎｍ、７００ｎｍそれぞれの波長の光束を反射し、共振可能とする２つの反射面を有する反射プリズムである。
各光路は、７００ｎｍのレーザー光の共振光路となる第１の分岐光路１０１０、波長８５０ｎｍのレーザー光の共振光路となる第２の分岐光路１０１１、共通光路１００９である。共通光路１００９を３００ｍｍ以下とし、反射プリズム１００７と、分岐プリズム１００６のうち反射プリズム１００７に近い方との間隔はおよそ１１２ｍｍとした。共振器のサイズは特に限定するものではないが、本実施例では２つの分岐光路を分けることができ、かつ共振器サイズが大型化しないサイズとして例示している。
【００４１】
励起光は、チタンサファイア結晶の入射面に対してｐ偏光を有する。チタンサファイアレーザーの発振もｐ偏光を維持している。分岐プリズム１００６は石英からなる頂角６９
．０７°とするブリュースター分散プリズムであり、波長８００ｎｍの入射面が入射光に対してブリュースター角となるように配置されている。２つのプリズムを用いることにより発振波長７００ｎｍと８５０ｎｍにおける光路の角度にある程度の違いを付けている。反射プリズム１００７は分岐プリズムの頂角に対して１／２の角度の頂角を有するリトロ分散プリズムであり、入射面が入射光に対してブリュースター角付近となるように設置する。反射面は図１０に示すように第１の分岐光路１０１０、第２の分岐光路１０１１に応じて異なる面を有し、波長８５０ｎｍと７００ｎｍが反射し共振器を形成するようにする。反射面にはそれぞれの波長に対する誘電体反射膜を付与している。
光路遮手段１００８は、それぞれの分岐光路を交互に、独立に遮蔽できるシャッターである。
【００４２】
上記レーザー装置を用いて、第一パルスを７００ｎｍ、第二パルスを８５０ｎｍとし、パルス毎に交互に波長を変えながらレーザー発振を行った。第一パルス発振前に、第２の分岐光路１０１１を遮蔽した。励起源１００１より発振した波長５３２ｎｍの励起光によりチタンサファイアを励起し、第１の分岐光路１０１０を通る光路で共振し、出力鏡１００４より波長７００ｎｍのレーザー光を射出した。第１のパルス後、光路遮蔽部１００８のシャッターを切り替えて第１の分岐光路１０１０を遮蔽した。その後、第２のパルスのための励起光が励起源１００１より照射されて、第２の分岐光路１０１１を通る光路で共振し、出力鏡１００４より波長８５０ｎｍのレーザー光を射出した。
このとき、出力光の波長およびエネルギーをパルス毎に測定した。波長は、７００ｎｍと８５０ｎｍが交互に射出されて、パルス毎のエネルギー安定性は、励起光の第二高調波の安定性とほぼ同等であり、非常に安定した発振が得られた。
【００４３】
本レーザーは、波長変換に係わる機構において、特に発振する共振器の光路に機械的な可動機構を持たないため、長期安定性に優れておりアライメントずれ等が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、さらに共振器内部での各光学部品での光エネルギー損失も低い。ゆえに、出力エネルギー１００ｍＪ／ｐｕｌｓｅという高い照射エネルギーが得られた。
本レーザー装置を超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを固定した生体部位上で走査する固定型ＰＡＴ装置に組み込んだ。生体模倣サンプルの比較的広い測定範囲を、繰り返し周波数は２０Ｈｚで走査した。パルス毎に７００ｎｍと８５０ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。その結果、本発明のレーザー装置を用いることにより、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。
【００４４】
＜実施例２＞
以下に医療用光音響トモグラフィー装置（医療用ＰＡＴ装置）に用いるレーザー装置の一実施例を示す。
図１１は、本医療用ＰＡＴ装置に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を励起源とするチタンサファイアレーザーであり、波長８００ｎｍと７５５ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光が繰り返し周波数２０Ｈｚで駆動する。出力は１２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。チタンサファイアレーザーの構成は以下の通りである。励起部分は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を発生する励起光源１１０１、励起光用ビームスプリッター１１０２、励起光用反射部材１１０３である。チタンサファイアの共振器部は、出力鏡１１０４、レーザー媒質であるチタンサファイア結晶１１０５、光路分岐部である分岐プリズム１１０６、光路分岐部である平行平板１１０７である。反射部材は、波長８００ｎｍの光束を反射する第１の反射板１１０８、波長７５５ｎｍの光束を反射する第２の反射板１１０９で構成される。各光路は、８００ｎｍのレーザー光の共振光路となる第１の分岐光路１１１０、波長７５５ｎｍのレーザー光の共振光路となる第２の分岐光路１１１１、共通光路１１１３、平行平板により
生じる平行ずれ光路１１１２である。
【００４５】
励起光は、チタンサファイア結晶の入射面に対してｐ偏光を有する。チタンサファイアレーザーの発振もｐ偏光を維持している。平行平板１１０７の入射面が入射光に対してブリュースター角となるように配置され、反射によるエネルギー損失を最小化している。第１の反射部材１１０８および第２の反射部材１１０９の反射面には、各波長７５５ｎｍと８００ｎｍの光束が反射するように誘電体反射防止膜を備えている。二つの反射面の反射角度差は０．１°程度となる。
平行平板１１０７は、厚さ２０ｍｍの石英を用いた。平行平板の形状は、入射反射面となる部分が円形状に一部欠けている。平行平板は、入射反射面に垂直な回転軸を有し、回転軸は共通光路１１１３から外れた位置である。このようにして平行平板が回転駆動することにより、光路に平行平板１１０７が挿入される場合、挿入されない場合を安定的に作り出すことが可能である。波長８００ｎｍで発振する時に共通光路１１１３内に挿入され、平行ずれ光路１１１２を形成する。波長７５５ｎｍで発振する際には共通光路１１１３内に挿入されない。
分岐プリズム１１０６は、入射面が、波長８００ｎｍの入射光に対してブリュースター角となるように配置されるブリュースター分散プリズムを用いた。頂角は６９．０７°である。
【００４６】
上記レーザー装置を用いて、第一パルスを８００ｎｍ、第二パルスを７５５ｎｍとし、パルス毎に交互に波長を変えながらレーザー発振を行った。第一パルス発振前に、平行平板１１０７を共通光路１１１３に挿入した。励起源１１０１より発振した波長５３２ｎｍの励起光によりチタンサファイアを励起し、第１の分岐光路１１１０を通る光路で共振し、出力鏡１１０４より波長８００ｎｍのレーザー光を射出した。第１のパルス後、平行平板１１０７を共通光路１１１３より外した。その後、第２のパルスのための励起光が励起源１１０１より照射されて、第２の分岐光路１１１１を通る光路で共振し、出力鏡１１０４より波長７５５ｎｍのレーザー光を射出した。
このとき、出力光の波長およびエネルギーをパルス毎に測定した。波長は、８００ｎｍと７５５ｎｍが交互に射出されて、パルス毎のエネルギー安定性は、励起光の第二高調波の安定性とほぼ同等であり、非常に安定した発振が得られた。
【００４７】
本レーザーは、波長変換に係わる機構において、共振を妨げるような光路ずれをもたらす駆動部品を持たない。平行平板は移動するものの、安定的な回転駆動である。波長は光路の角度ずれが生じないため常に一定方向を有するため、波長再現性は非常に高い。結果として長期安定性に優れておりアライメントずれ等によるエネルギー低下などの問題が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、さらに共振器内部での各光学部品での光エネルギー損失も低い。ゆえに、出力エネルギー１２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅの高い照射エネルギーが得られた。
本レーザー装置を超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを固定した生体部位上で走査する固定型ＰＡＴ装置に組み込んだ。測定サンプルに酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンを模倣した血管を有する生体模倣サンプルを用いた。繰り返し周波数は２０Ｈｚで走査した。パルス毎に７００ｎｍと８５０ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。本発明のレーザー装置を用いた場合、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。
【００４８】
＜実施例３＞
以下に医療用光音響トモグラフィー装置（医療用ＰＡＴ装置）に用いるレーザー装置の一実施例を示す。
図１２は、本医療用ＰＡＴ装置に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、フラッシュランプ１２１４を励起源とするアレクサンドライトレーザーであり
、波長８００ｎｍと７５５ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光が繰り返し周波数２０Ｈｚで駆動する。出力は２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。アレクサンドライトレーザーの構成は以下の通りである。フラッシュランプ１２１４を励起光としアレクサンドライト結晶１２０３とともにチャンバー１２０１内に設置されている。ジャイアントパルス発振のためにポッケルスセル１２１２およびλ／４波長板１２１３により構成されるＱ−ｓｗが共通光路１２０９上に設置されている。共振光路選択部はポッケルスセル１２０５で構成される。また、出力鏡１２０２、光路分岐部である偏光子１２０４、波長７５５ｎｍの共振器を形成する第１の分岐光路１２１０の反射部として第１の反射プリズム１２０７、第２の分岐光路１２１１の反射部として第２の反射プリズム１２０８が含まれる。
【００４９】
アレクサンドライトレーザーがフラッシュランプ励起されて、Ｑ−ｓｗ駆動により大出力パルスが発振する。発振される光束の偏光方向は紙面面内でありｐ偏光である。
偏光子１２０４は、ｐ偏光を透過しｓ偏光を反射する。反射プリズム１２０７は入射光に対してブリュースター角となるように配置する。反射面には波長８００ｎｍを反射する誘電体反射膜を備えている。反射プリズム１２０８は入射面に波長７５５ｎｍにおける誘電体反射防止膜、反射面に波長７５５ｎｍを反射する誘電体反射膜を備えている。共振光路選択用のポッケルスセル１２０５には、入射光の偏光をλ／２回転させる電圧を印加することで、共振光路を選択する。
【００５０】
上記レーザー装置を用いて、第一パルスを８００ｎｍ、第二パルスを７５５ｎｍとし、パルス毎に交互に波長を変えながらレーザー発振を行った。第一パルス発振前に、共振光路選択用のポッケルスセル１２０５への電圧をＯＦＦとする。フラッシュランプ１２１４を照射後、アレクサンドライト結晶における反転分布密度が十分に高くなるタイミングでＱ−ｓｗを駆動する。この際、共振器内部の光束の偏光方向はｐ偏光であり、ポッケルスセル１２０５を透過した偏光はｐ偏光を維持し、偏光子１２０４を透過して第１の分岐光路を通り共振し出力鏡１２０２より波長８００ｎｍのレーザー光が発振した。
レーザー発振後、次のパルス発振のためのフラッシュランプ照射前にポッケルスセル１２０５に電圧を印加し、電圧ＯＮ状態を第２のレーザーパルス発振が終了するまで維持した。ポッケルスセルを透過する光束の偏光は９０°回転し、ｓ偏光となり偏光子１２０４により反射し第２の分岐光路を通り共振し出力鏡１２０２より波長７５５ｎｍのレーザー光が発振した。
このとき、出力光の波長およびエネルギーをパルス毎に測定した。波長８００ｎｍと７５５ｎｍが交互に射出されて、パルス毎のエネルギー安定性は、共振器分岐のない固定波長を発振するアレクサンドライトレーザーの安定性とほぼ同等であり、非常に安定した発振が得られた。
【００５１】
本レーザーは、波長変換に係わる機構において、機械的な駆動部品のない構造である。ゆえに、波長再現性および発振エネルギー出力の安定性は非常に高い。結果として長期安定性に優れておりアライメントずれ等によるエネルギー低下などの問題が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、偏光子１２０４において、１％以下のエネルギー損失があるが、各光学部品での光エネルギー損失が比較的低い。ゆえに、出力エネルギー２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅの高い照射エネルギーが得られた。
本レーザー装置を超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを固定した生体部位上で走査する固定型ＰＡＴ装置に組み込んだ。測定サンプルに酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンを模倣した血管を生体表面から３０ｍｍの深さに配置した生体模倣サンプルを用いた。繰り返し周波数は２０Ｈｚで走査した。パルス毎に７００ｎｍと８５０ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。本発明のレーザー装置を用いた場合、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。
【００５２】
＜実施例４＞
以下に医療用光音響トモグラフィー装置（医療用ＰＡＴ装置）に用いるレーザー装置の一実施例を示す。
図１３は、本医療用ＰＡＴ装置に組み込まれたレーザー装置の概略図を示す。本レーザー装置は、フラッシュランプ１３１５を励起源とするアレクサンドライトレーザーであり、波長８００ｎｍと７５５ｎｍのレーザー発振が可能である。励起光が繰り返し周波数２０Ｈｚで駆動する。出力は２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅである。アレクサンドライトレーザーの構成は以下の通りである。フラッシュランプ１３１５を励起光としアレクサンドライト結晶１３０３とともにチャンバー１３０１内に設置されている。また、出力鏡１３０２、光路分岐部である偏光子１３０４、共振光路選択部、およびＱ−ｓｗを兼用するポッケルスセル１３０５、Ｑ−ｓｗの構成部品としての偏光子１３０６が含まれる。また、波長８００ｎｍの共振器を形成する第１の分岐光路１３１０の反射部材１３０７、波長７５５ｎｍの共振器を形成する第２の分岐光路１３１１の反射部材１３０８、共通光路１３０９が含まれる。また、第１の分岐光路１３１０上に設置した第１の遮光部材１３１３、第２の分岐光路１３１１上に設置した第１の遮光部材１３１４が含まれる。
偏光子１３０６は、ｐ偏光を透過する。ここでは、紙面面内がｐ偏光の偏光方向であり、紙面垂直がｓ偏光の偏光方向である。
ポッケルスセル１３０５に印加する電圧は、入射光の偏光を９０°回転させる電圧とする。反射部材１３０７の反射面には波長８００ｎｍを反射する狭帯域誘電体反射膜を備えており、反射部材１３０８の反射面には波長７５５ｎｍを反射する狭帯域誘電体反射膜を備えている。
【００５３】
上記レーザー装置を用いて、第一パルスを８００ｎｍ、第二パルスを７５５ｎｍとし、各波長をパルス毎に交互に変えながらレーザー発振を行った。第一パルス発振前に、第１の遮蔽部材１３１３を開き、第２の遮蔽部材１３１４を閉じた。さらに、フラッシュランプ１３１５を照射する前にポッケルスセル１３０５に電圧を印加し、次いでフラッシュランプ１３１５を照射する。フラッシュランプ照射時はポッケルスセルにｐ偏光で入射した光束の偏光が回転して偏光となり、偏光子１３０４（偏光ビームスプリッター）で反射される。しかしながら、第２の遮蔽部材により光束が遮蔽される。ゆえに光束は共振できずアレクサンドライト結晶の反転分布密度が高くなる。このタイミングでポッケルス１３０５セルの印加電圧をＯＦＦとすると、ポッケルスセルを透過する光束の偏光状態はｐ偏光のまま維持される。そのため、偏光ビームスプリッター１３０４を透過した光束は第１の分岐光路１３１０を通り出力鏡１３０２と反射部材１３０７からなるＱ値の高い共振器で共振されて波長８００ｎｍのレーザー光が発振する。
第一パルス発振後、第二パルスのためのフラッシュランプ１３１５を照射する前に、第１の遮蔽部材１３１３を閉じ、第２の遮蔽部材１３１４を開いた。さらに、フラッシュランプ１３１５を照射する前にポッケルスセル１３０５には電圧印加しない状態を維持し、次いでフラッシュランプ１３１５を照射する。フラッシュランプ照射時はポッケルスセル透過後もｐ偏光を維持し、偏光ビームスプリッター１３０４を透過する。しかしながら、第２の遮蔽部材により光束が遮蔽される。ゆえに光束は共振できずアレクサンドライト結晶の反転分布密度が高くなる。このタイミングでポッケルス１３０５セルの印加電圧をＯＮとすると、ポッケルスセル１３０５により光束の偏光状態が回転しｓ偏光となる。偏光ビームスプリッター１３０４で反射した光束は第２の分岐光路１３１１を通り出力鏡１３０２と反射部材１３０８からなるＱ値の高い共振器で共振されて波長７５５ｎｍのレーザー光が発振する。
本構成により、Ｑ−ｓｗと共振光路選択部を兼用したポッケルスセルを用いて２波長発振可能なパルス発振するレーザー装置となる。
このとき、出力光の波長およびエネルギーをパルス毎に測定した。波長８００ｎｍと７５５ｎｍが交互に射出されて、パルス毎のエネルギー安定性は、共振器分岐のない固定波
長を発振するアレクサンドライトレーザーの安定性とほぼ同等であり、非常に安定した発振が得られた。
【００５４】
本レーザーは、波長変換に係わる機構において、機械的な駆動部品のない構造である。ゆえに、波長再現性および発振エネルギー出力の安定性は非常に高い。結果として長期安定性に優れておりアライメントずれ等によるエネルギー低下などの問題が生じる可能性が非常に低い。また、エネルギー損傷閾値の高い光学部品で形成されており、偏光子１２０４において、１％以下のエネルギー損失があるが、各光学部品での光エネルギー損失が比較的低い。ゆえに、出力エネルギー２００ｍＪ／ｐｕｌｓｅの高い照射エネルギーが得られた。さらに、共振光路選択部に特別な部品を追加する必要がないため、共振器長をコンパクトになるとともに、低コスト化となる利点も有する。
本レーザー装置を超音波素子とレーザー照射部が一体化したＰＡＴプローブを固定した生体部位上で走査する固定型ＰＡＴ装置に組み込んだ。測定サンプルに酸化型ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンを模倣した血管を生体表面から３０ｍｍの深さに配置した生体模倣サンプルを用いた。繰り返し周波数は２０Ｈｚで走査した。パルス毎に７００ｎｍと８５０ｎｍを切り替えて測定し、各波長特有の機能情報を取得した。本発明のレーザー装置を用いた場合、位置ずれや測定時間ずれによる取得信号への影響が少なく高精度の機能情報を得ることができた。
【符号の説明】
【００５５】
１０２：出力部、１０３：レーザー媒質、１０４：プリズム、１０７：第１の反射部材、１０８：第２の反射部材、１０９：共通光路、１１０：第１の分岐光路、１１１：第２の分岐光路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、
固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる、偏光子からなる分岐手段であって、前記出力鏡を端部として前記複数の光路に共通する共通光路と、前記反射手段のいずれかの反射面を端部として前記複数の光路ごとに異なる複数の分岐光路と、を形成する分岐手段と、
前記共通光路に配置されたレーザー媒質と、
前記複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択手段と、
を有することを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
前記反射手段は、前記複数の反射面ごとに、当該反射面に対応する波長の光を反射させる反射膜を備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
前記反射手段は、前記複数の分岐光路ごとに配置された、当該分岐光路に対応する波長の光を反射させるプリズムである
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項４】
前記選択手段は、前記共通光路上に配置された偏光回転部材であり、当該偏光回転部材を透過する光の偏光方向を変えることにより前記分岐光路を選択する
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記偏光回転部材は、ポッケルスセルである
ことを特徴とする請求項４に記載のレーザー装置。
【請求項６】
前記偏光回転部材は、ファラデー回転子である
ことを特徴とする請求項４に記載のレーザー装置。
【請求項７】
前記複数の分岐光路を独立に遮蔽する遮蔽部材をさらに有する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項８】
前記選択手段は、前記共振器においてパルス発振のためのＱスイッチを兼ねるポッケルスセルであり、印加される電圧に応じて当該ポッケルスセルを透過する光の偏光方向を変えることにより前記分岐光路を選択する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項９】
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置の制御方法であって、
前記レーザー装置は、
固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる分岐手段であって、前記出力鏡を端部として前記複数の光路に共通する共通光路と、前記反射手段のいずれかの反射面を端部として前記複数の光路ごとに異なる複数の分岐光路と、を形成する分岐手段と、
前記共通光路に配置されたレーザー媒質と、
前記分岐光路に偏光子を有しており、
前記複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択ステップを有することを特徴とするレーザー装置の制御方法。
【請求項１】
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置であって、
固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる、偏光子からなる分岐手段であって、前記出力鏡を端部として前記複数の光路に共通する共通光路と、前記反射手段のいずれかの反射面を端部として前記複数の光路ごとに異なる複数の分岐光路と、を形成する分岐手段と、
前記共通光路に配置されたレーザー媒質と、
前記複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択手段と、
を有することを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
前記反射手段は、前記複数の反射面ごとに、当該反射面に対応する波長の光を反射させる反射膜を備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
前記反射手段は、前記複数の分岐光路ごとに配置された、当該分岐光路に対応する波長の光を反射させるプリズムである
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項４】
前記選択手段は、前記共通光路上に配置された偏光回転部材であり、当該偏光回転部材を透過する光の偏光方向を変えることにより前記分岐光路を選択する
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記偏光回転部材は、ポッケルスセルである
ことを特徴とする請求項４に記載のレーザー装置。
【請求項６】
前記偏光回転部材は、ファラデー回転子である
ことを特徴とする請求項４に記載のレーザー装置。
【請求項７】
前記複数の分岐光路を独立に遮蔽する遮蔽部材をさらに有する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項８】
前記選択手段は、前記共振器においてパルス発振のためのＱスイッチを兼ねるポッケルスセルであり、印加される電圧に応じて当該ポッケルスセルを透過する光の偏光方向を変えることにより前記分岐光路を選択する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項９】
出力する光の波長を複数の波長から選択するレーザー装置の制御方法であって、
前記レーザー装置は、
固定された複数の反射面を有する反射手段および出力鏡を含む共振器内に形成される光路を複数の光路に分岐させる分岐手段であって、前記出力鏡を端部として前記複数の光路に共通する共通光路と、前記反射手段のいずれかの反射面を端部として前記複数の光路ごとに異なる複数の分岐光路と、を形成する分岐手段と、
前記共通光路に配置されたレーザー媒質と、
前記分岐光路に偏光子を有しており、
前記複数の分岐光路から、出力する波長に対応する分岐光路を選択する選択ステップを有することを特徴とするレーザー装置の制御方法。
【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】
【公開番号】特開２０１３−８９６８０（Ｐ２０１３−８９６８０Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６９５９（Ｐ２０１１−２２６９５９）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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