光を物質に入射すると、物質の分子振動に応じて入射光の周波数とは異なる光が射出される。この現象をラマン散乱と呼ぶ。具体的には入射光の周波数ωp、物質の分子振動数をΩとすると周波数ωp±Ωの2つの光が射出される現象である。周波数ωp-Ωの光をストークス光、周波数ωp+Ωの光をアンチストークス光と呼ぶ。

誘導ラマン散乱は物質に入射される励起光とストークス光の干渉によって、ストークス光が増幅される現象である。これは励起光とストークス光によって発生する干渉成分 (ビート光) と物質の分子振動数が一致して共鳴が起こるためである。共鳴によって分子振動が大きくなり、光散乱が強くなる。ストークス光は散乱光であるため、分子振動が大きくなるにつれてストークス光も増強されていく。誘導ラマン散乱を観測すると、励起光が減少していくにつれて、逆にストークス光が増加していくのを見ることができる。

誘導ラマン散乱による励起光 (またはストークス光) の強度変化量を検出してイメージングを行った顕微鏡を誘導ラマン散乱 (Stimulated Raman Scattering : SRS) 顕微鏡と呼ぶ。SRS顕微鏡の基本構成を図1 に示す。

SRS顕微鏡の基本構成

図1:SRS顕微鏡の基本構成。DM:ダイクロイックミラー、Obl:対物レンズ、PD:フォトダイオード

光源として励起光(周波数ωpで記載)とストークス光 (周波数ωsで記載) 2つの光パルスを用いる。ストークス光は変調器によって強度変調 (ストークス光をON/OFF) される。変調器にはチョッパーや音響光学素子 (AOM) などが用いられる。変調器は後述するロックイン検出器を利用するために用いられる。ダイクロイックミラーで2つの光を合波して対物レンズで試料に集光される。集光点では励起光とストークス光の干渉によって誘導ラマン散乱が発生する。このとき、ストークス光が強度変調されているため、図2右上にあるように、ストークス光のON/OFFに伴って励起光の強度が変化する (ストークス光がON→励起光が減少、ストークス光がOFF→励起光変化なし)。

入力光と出力光の強度の概念図

入力光と出力光の強度の概念図(参考文献1参照)。左上:励起光、左下:ストークス光、右 上:SRSによって変調された励起光(出力光)。Iは光パルスの強度。SRLは励起光の減少量。

強度変調された励起光は光学フィルターを通過し、フォトダイオードで検出される。励起光はフォトダイオードで電気信号に変換されてロックインアンプで検出される。誘導ラマン散乱による励起光の変化量はわずかであるため、微小信号を検出できるロックインアンプが用いられている (ロックインアンプの原理については参考文献2 に記載されている)。イメージングにはガルバノミラーやピエゾステージなどを用いてスキャンする。

SRS顕微鏡もCARS顕微鏡と同様に分子イメージングが可能となる。


SRS顕微鏡に関する発表資料