コヒーレント反ストークスラマン散乱 (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering : CARS) は波長の異なる2つの光が物質に入射したときに、どちらの光とも異なる波長の光 (CARS光) が発生する現象である。
このCARS光を検出してイメージングを行う顕微鏡をコヒーレント反ストークスラマン散乱 (CARS) 顕微鏡と呼ぶ。CARS顕微鏡の基本構成を図1に示す。

CARS顕微鏡の基本構成

図1:CARS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。

光源は超短パルスレーザーを用いる。試料に入射する2つの光パルスはそれぞれポンプ光、ストークス光と呼ばれる。図1では、ポンプ光をωp、ストークス光をωsと角周波数で記述されている。2つの光パルスはダイクロイックミラーで重なり、同時に試料に集光される。試料内部では図2に示されているようなエネルギープロセスが起こり、CARS光 (角周波数ωCARS) が発生する。光源からの光を光学フィルターでカットして、CARS光のみを検出器で検出する。

CARSの発生過程

図2:CARSの発生過程。Ωは分子振動エネルギー、破線は仮想エネルギー準位を示す。

ポンプ光、ストークス光の周波数差が試料を構成する分子の振動数と近くなると、強いCARS光が発生する。そのためポンプ光、ストークス光の周波数差を観察対象分子の振動数と同じくらいになるようにチューニングすれば分子イメージングが可能となる。なお、CARS顕微鏡ではスペクトル分解能を維持するために (2つの光パルスの周波数差を分子の振動数と同じくらいにするために) 、光源にピコ秒パルスレーザーを用いることが多い。

CARSは通常のラマン散乱に比べて強い信号を得ることができる。そのため、通常のラマン散乱顕微鏡よりも高速にイメージングでき、ビデオレートで観察可能である。

CARS顕微鏡により、生体内で見られる分子状態の変化を分子振動の変化として捉えることができれば、生命現象を分子レベルで把握することができ、また生体内に導入した物質の分布とその時間変化をリアルタイムで観察することができる。