物質の振動状態を光の非弾性散乱から調べる振動分光は、標識を必要とせず非接触で情報を得られることから、生体力学や製薬の分野で普及している。ブリルアン散乱は熱的に生じる密度ゆらぎ（音響フォノン）を捉え、0.1〜1 cm⁻¹ の偏移から粘弾性を与える。超低周波ラマン散乱は 10〜200 cm⁻¹ の分子間振動を捉えて結晶形の違いに鋭敏であり、通常のラマン散乱は 200〜3500 cm⁻¹ の分子内振動から化学組成を与える。三つを合わせれば、力学・構造・化学の情報が一度の計測で得られる。

　しかし、ブリルアン散乱と超低周波ラマン散乱の信号は励起光のごく近傍に現れる微弱な成分であり、レイリー散乱や界面反射に由来する強い弾性背景光に埋もれてしまう問題がある。走査型ファブリ・ペロー干渉計は分解能に優れる一方で1点あたり 10 s 以上を要し、高速なVIPA分光器はコントラストが約 30 dB にとどまる。三つの領域を同時に取得できる装置は実現していなかった。

　そこで、本研究では複屈折誘起位相遅延（BIPD）フィルタを導入することによって、解決した。複屈折結晶を二枚の偏光子で挟む構成であり、入口の偏光子が背景光の偏光を揃えるため、由来を問わず背景光を同じ原理で抑圧できる。光源にはCobolt社製の単一縦モードレーザー Flamenco（波長 660 nm）を用い、倒立顕微鏡の対物レンズで試料面に 8 mW で集光し、同じ対物で集めた後方散乱光をこのフィルタへ通したうえでVIPA分光器と回折格子分光器へ並列に導いている。これにより 0.1〜3500 cm⁻¹ を超える全域を同時に取得し、ブリルアン側で約 1 GHz の分解能と約 55 dB のコントラストを得た。インドメタシンの結晶形と非晶質相の識別に加え、イブプロフェン錠剤の力学・構造・化学の分布を同一視野で画像化できることを示した。

※本記事は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）を、独自の構成で再構成した日本語要約です。

【用語解説】

• ブリルアン散乱：物質中を熱的に伝わる音波（音響フォノン）による光の非弾性散乱。周波数の偏移量が弾性率と密度で決まるため、試料に触れずに粘弾性を測れる。
• 超低周波ラマン散乱：10〜200 cm⁻¹ 付近に現れる、分子どうしの並進や回転といった集団振動による散乱。結晶格子の並び方を反映するため、同じ化学組成でも結晶形の違いを見分けられる。
• VIPA（多重仮想位相配列）エタロン：入射光を斜めに導いて多重反射させ、わずかな波長差を大きな角度差に変換する分光素子。回折格子より分散が大きく、ブリルアン散乱のような微小な周波数偏移の測定に用いられる。

振動分光に使用された660 nmレーザー

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太陽光は枯渇しない膨大なエネルギー源であり、脱炭素社会の実現に向けて太陽光発電の変換効率を高めることが重要な課題である。その有力な解決手段として注目されるホログラフィック光学素子（光の干渉で感光材料に記録した回折構造により、光の進む向きや波長成分を制御する薄い素子）は、薄型かつ安価で受光できる角度が広く、機械式の太陽追尾装置を用いずに太陽光を電池面へ導ける。さらに、一枚の材料に複数の回折格子を重ねて記録する多重化により、太陽光を波長成分ごとに分離・再配分する「太陽光の精製」も可能となる。

しかし、従来の太陽光発電は光の入射角に性能が左右され、出力を保つには可動部を伴う機械式の追尾装置が必要で、費用や信頼性の面で不利であった。また、これまでの多重化ホログラフィーは主にホログラフィックレンズを用いる方式で、光が電池面の狭い範囲に集中し照明が不均一になりやすかった。

そこで本研究では、厚さ約30 µmの市販フォトポリマーBayfol® HX121を評価し、空間周波数478本/mmの透過型回折格子をピーク間10°で角度多重化して記録した。記録にはCobolt社製の連続発振ダイオードレーザー（473 / 532 / 660 nm）を用い、光束を物体光と参照光に分けてフォトポリマー上で干渉させて回折格子を露光した。この三重多重格子と太陽電池を組み合わせた素子は、機械式追尾なしで受光角43°を実現し、素子を3つ並べれば129°の角度走査が可能であった。これにより電池面をより均一に照明でき、Bayfol® HX121が太陽光発電向け多重ホログラフィック格子の母材として有望であることを示した。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

【用語解説】

• ホログラフィック光学素子（HOE）：光の干渉パターンを感光材料に記録し、その回折で光の進む向きや波長成分を制御する薄い光学素子。レンズや回折格子の働きを一枚の膜で担える。
• 多重化記録（multiplexing）：一枚の記録材料の同じ領域に、条件を変えて複数のホログラム（回折格子）を重ねて記録する技術。材料が厚いほど多く重ねられる。
• 受光角（アクセプタンス角）：入射光の角度がずれても素子が有効に働く角度範囲。これが広いほど、太陽追尾なしで長い時間集光できる。

ホログラム記録に使用されたCoboltレーザー（473 / 532 / 660 nm）

　色覚異常（CVD）は、特定の色の組み合わせ、とくに赤と緑の識別を困難にする視覚特性であり、根本的な治療法は存在しない。補助手段として色付き眼鏡やコンタクトレンズ、画面上で色を置き換える方法があるが、これらは視野全体を一律に変えてしまうか、特定のディスプレイ環境に限られる。一方、ホログラフィック光学素子（HOE）はフォトポリマー中に干渉露光で屈折率の周期構造を記録した素子で、ブラッグ条件下で高い回折効率と角度・波長選択性を示すため、薄く透明な狭帯域の導波路結合素子として拡張現実（AR）ディスプレイに適している。

　しかし、既存の色覚補助は、着色眼鏡のように視野全体を一律に変えてしまうか、画面ベースの再着色のように固定されたディスプレイ環境でしか機能しないという制約があった。現実のシーンの中で本人が混同しやすい色の領域だけを検出し、そこにピンポイントで視覚的な手がかりを重ねられる、ウェアラブルな手段が欠けていた。

　そこで、実世界のシーンをリアルタイムに撮影し、人工ニューラルネットワーク（ANN）による色追跡で赤緑が紛らわしい領域を特定して、そこに仮想的な色の手がかりを重畳するARディスプレイを提案した。透明なコンバイナの中に、二色の狭帯域カプラとして働くHOEをコンパクトな導波路光学系へ統合し、フォトポリマー（Bayfol HX200）に二波長で干渉露光して作製した。光学測定により、狙った波長だけを選択的に結合できることを確認し、概念実証として対象物へ空間選択的に色手がかりを重畳できることを示した。これにより、HOEを用いたAR色覚補助が、特定の色識別が必要な場面に向けたウェアラブルな手段として実現可能であることが示された。Cobolt社製の連続波レーザー「Cobolt 05-01 Series」の473 nm（青）と660 nm（赤）は、二色狭帯域カプラとなるHOEをフォトポリマー中に干渉露光で記録するための光源として用いられた。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

【用語解説】

• ホログラフィック光学素子（HOE）：干渉する2本のレーザー光の露光によって、フォトポリマーなどに屈折率の周期構造（体積ホログラム）を記録した光学素子。ブラッグ条件を満たす特定の波長・入射角の光だけを高効率に回折するため、薄く透明な導波路結合素子として使える。
• 色覚異常（CVD）：特定の色の組み合わせ、とくに赤と緑の識別が困難になる視覚特性。根本的な治療法はなく、補助デバイスによる識別支援が研究されている。
• 導波路ディスプレイ／コンバイナ：透明な平板光学系に画像光を結合・伝搬させ、現実の風景に映像を重ねて見せるARの光学方式。
• 人工ニューラルネットワーク（ANN）による色追跡：機械学習を用いて、映像の中の紛らわしい色の領域をリアルタイムに検出・追跡する手法。

HOEの記録に使用された473 nm・660 nmレーザー

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　電子と正孔がクーロン引力で自発的に束縛されて励起子を形成し、それが巨視的に凝縮して生じる絶縁相である励起子絶縁体は、巨視的量子凝縮とその集団励起を探る舞台として近年研究が進められている。この相ではフェルミ準位に自発的な混成ギャップが開き、秩序変数の集団振幅励起を伴うと予想される。層状のファンデルワールス化合物Ta₂Pd₃Te₅は、その絶縁ギャップが主に電子・正孔間のクーロン相互作用に由来すると考えられ、励起子凝縮の基礎機構を集団電荷励起の検出を通して調べる優れた舞台として注目されている。

　しかし、塊状結晶では電子・格子・スピン・軌道の自由度が複雑に絡み合うため、励起子凝縮状態の明確な同定は困難である。実際、有力候補である1T-TiSe₂では励起子不安定性が電荷密度波秩序と強く結びつき、Ta₂NiSe₅では半金属-半導体転移が直方晶から単斜晶への構造転移を伴うため、電子的寄与と格子的寄与を分離できないという問題がある。

　そこで、本研究では偏光分解ラマン分光を用い、Ta₂Pd₃Te₅の集団電荷励起を観測した。その結果、特性温度T≈100 K以下でB₃g対称チャンネルに、秩序変数様の温度依存性を示す振幅様モードを見いだした。減衰ドルーデ応答はTで散乱率の抑制と強度極大を示し、フォノン強度の対称性依存的異常とともに、励起子凝縮による異方的なバンド再構成とギャップ形成を裏付けた。これにより本物質が塊状の励起子絶縁体であることを分光学的に示した。ラマン分光の励起光源にはCobolt社製の660 nmレーザーを用い、40倍対物レンズで試料表面に集光して低周波領域のスペクトルを測定した。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY SA-4.0）に基づいています。

【用語解説】

• 励起子絶縁体：電子と正孔がクーロン引力で対を組んで凝縮し、単一電子的なバンド構造の効果ではなく電子相関によって絶縁化する物質相。
• 振幅(ヒッグス)モード：秩序変数の大きさが振動する集団励起。超伝導や励起子凝縮など、対称性が自発的に破れた相に現れる。
• 減衰ドルーデ応答：金属・半金属中の自由電荷が不純物やフォノンと散乱しながら動くことに由来する低周波の電子応答で、散乱率がその散乱の強さを表す。

ラマン分光に使用された660 nmレーザー

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　純水による光散乱は、海洋光学や海色リモートセンシングにおいて基準となる基本的な物理現象であり、衛星観測から海洋中の植物プランクトンや溶存有機物などの光学特性を推定する際に、純水自身の散乱を差し引く基準量として重要である。光散乱の強度と角度分布は、水分子の密度ゆらぎと配向ゆらぎの両方によって決まる。配向ゆらぎの寄与は脱分極比(δ)で表され、これは入射光に対して90°方向に散乱された光のうち、分子が完全な球形であれば現れないはずの水平偏光成分の割合と定義される。δは散乱関数の絶対値と角度形状の両方を変える因子であるため、純水の散乱を精密に記述するうえで不可欠な量である。水分子は酸素原子の同じ側に二つの水素原子をもつ非対称構造であり、その分極率テンソルの異方性成分が脱分極を引き起こす。

　しかし、純水のδ測定はその値が極めて小さく高感度の装置が必要なため困難であり、報告されている測定はほぼ1970年以前に限られている。値も0.039から0.125まで大きくばらつき、波長依存性の傾向についても文献間で短波長側で増加するとの報告と減少するとの報告が併存し、一致した見解が得られていない問題点がある。このため海洋光学分野では可視域全体にわたって波長に依存しない一定値δ = 0.039が便宜的に採用されてきた。

　そこで、本研究では現代的な光子計数型散乱計LS Spectrometerを用い、491、532、660 nmの3波長で純水のδを測定し、迷光補正とトルエンによる校正を入念に行うことで解決した。Cobolt社製のレーザー発振器(Calypso 491.5 nm、Samba 532.1 nm、Flamenco 659.6 nm)は各波長における散乱光強度測定のための励起光源として用いられた。得られた平均値は491 nmで0.0417 ± 0.01369、532 nmで0.0393 ± 0.00800、660 nmで0.0363 ± 0.00494であり、短波長ほどδがわずかに増大する傾向が示された。この傾向は測定不確かさの範囲内に収まるものの、可視域では光の振動数が高くなるほど分極率テンソルの異方性成分が等方性成分よりも相対的に大きく増加するという理論的予測と整合する。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

使用されたレーザー

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　抗生物質耐性病原体の増加に伴い、簡便かつ迅速な細菌検出技術の開発が急務となっている。従来の微生物学的手法である培養計数法は、時間と労力を要し、専門的な設備と技能が必要である。これに対し、光を用いた検出手法は高感度かつ非接触で並列的な検出が可能であることから、近年急速に研究が進められている。また、表面の粗さが細菌の付着挙動に大きく影響することが明らかになっており、表面形態を制御した構造体の作製が細菌検出素子の開発において重要な要素となっている。干渉性の光束を用いて感光性材料に周期構造を記録する干渉露光法は、表面形態の制御と回折光信号の取得を同時に実現できる手法として注目されている。

　しかし、細菌付着と表面粗さの関係については、粗さの低減が付着を減少させるとする報告、逆に増加させるとする報告、さらには菌種によって挙動が異なるとする報告が混在しており、平均粗さのみでは直接的な相関を確立できないという問題点がある。この原因として、表面の物理的・化学的性質を体系的に制御した均一な試料を用いた研究が不足していることが挙げられる。

　そこで、本研究ではCobolt社製Flamenco（波長660 nm）を光源とした三光束干渉露光系を構築し、光重合体表面に制御可能な交差回折格子を一括露光で作製することによって、この課題に取り組んだ。Cobolt社製の当該光源は、空間フィルタリング・拡大・平行化の後、偏光分離素子と反射鏡を介して三光束に分岐され、感光材料上に二次元干渉縞を形成するために使用された。周期2、5、8 μmの交差回折格子の作製に成功し、周期が大きいほど構造高さと表面粗さが増大することを確認した。表面粗さは周期の変更により約6倍（15～95 nm）の範囲で制御可能であり、回折効率は20～43%の範囲で周期に依存して変化した。今後、細菌の付着に伴う表面形態の変化が回折効率に反映されることを利用し、付着菌数の定量的検出への応用が期待される。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY SA-4.0）に基づいており、査読前論文です。

露光に使用された660 nmレーザー

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　生体の力学的特性は、がんの浸潤や眼疾患、神経変性疾患、骨疾患など多様な生体機能や病態と密接に関連しており、その非侵襲的な評価手法の開発が求められている。物質中の自発的な音響振動（音響フォノン）と光の非弾性散乱を利用して粘弾性特性を光学的に計測する手法であるブリルアン顕微鏡は、非接触・無標識で細胞以下の空間分解能を有する三次元力学イメージング技術として近年急速に研究が進められている。本手法は眼科や循環器、がん診断など幅広い臨床応用が期待されており、生体力学研究において重要な役割を担っている。

　しかし、不透明な散乱性の高い生体試料では、レイリー散乱やフレネル反射に起因する弾性背景光がブリルアン散乱光より百万倍以上強く、信号検出が極めて困難であるという問題点がある。従来の多段VIPA(Virtually Imaged Phased Array)分光器やルビジウムガスセルなどの背景光除去手法は、複数の光学経路を必要とし装置の安定性や透過率を低下させるか、使用波長が限定されるなどの制約があった。

　そこで、本研究では複屈折誘起位相遅延（BIPD）フィルタを導入することにより、この課題を解決した。バナジン酸イットリウム結晶の複屈折性を利用してブリルアンとレイリー信号の偏光状態を分離し、単一光路・単一通過で65 dBの消光比を達成した。光源にはCobolt社製単一縦モード660nmレーザーを励起光として使用した。本手法により、純牛乳中や高反射界面など極めて散乱の強い環境下でブリルアン信号の取得に成功し、さらに大理石骨病モデルマウスの椎骨組織において、健常対照と比較して有意に高い周波数シフトおよび線幅を示す力学特性の変化を明らかにした。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいており、査読前論文です。

使用された660 nmレーザー

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　非線形光学過程の一つである自発パラメトリック下方変換（SPDC）は、非線形結晶中で1個の励起光子がエネルギーの低い2個の光子対（信号光子とアイドラー光子）に変換される現象であり、量子撮像や量子分光への応用から近年急速に研究が進められている。SPDC により生成される光子対は空間的・分光的・時間的・偏光的に相関を持ち、この性質を利用することで、検出が困難な中赤外領域のアイドラー光子を直接検出せずに、相関する可視域・近赤外域の信号光子から対象物の情報を取得できる。中赤外領域には分子固有の振動吸収帯が多数存在し、指紋領域と呼ばれるこの波長域は分子同定に極めて有用である。硫化銀ガリウム（AgGaS₂、以下AGS）結晶は500 nmから12.5 μmまでの広い光透過域と高い非線形光学係数を有しており、中赤外光子の生成媒質として有望な候補である。

　しかし、従来のAGS結晶を用いたSPDC光源では、生成される光子の輝度が低く、また波長可変域が限定されるという問題点があった。先行研究では励起波長が785 nmや783.9 nmの近赤外域に限られており、アイドラー光子の波長範囲や対応する信号光子の波長域にも制約が存在した。加えて、信号光子が長波長側に位置するため、Si系検出器の量子効率が低下する領域での検出を余儀なくされていた。

　そこで、本研究では励起波長を660 nmに選定し、厚さ1 mmのAGS結晶の位相整合角を回転調整することによって、これらの課題を解決した。Cobolt社製の660 nmレーザー（Flamenco）をSPDCのポンプ光源として使用し、AGS結晶に照射した。結晶の角度調整により、アイドラー光子の波長を中赤外域の5.661 μmから10.885 μm（1766～919 cm⁻¹）にわたって連続的に可変とすることに成功した。対応する信号光子は747.1～702.6 nmの近赤外域に位置し、Si系検出器の高感度帯域に合致する。光子対源の輝度は(29.2 ± 1.1) MHz/mWに達し、従来のAGS光源と比較して約2桁高い値を実現した。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいており、査読前論文です。

使用された660 nmレーザー

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　ヒトの皮膚における老化過程や、乾癬、強皮症といった様々な病態を詳細に研究する上で、皮膚の生体力学的特性を測定することは極めて重要である 。皮膚の弾力性を調査することは、組織疾患の評価のみならず、化粧品などの有効性を判断する上でも有用な指標となる 。光子と音響量子であるフォノンの散乱相互作用を利用して非接触かつ無標識で試料の粘弾性を評価する手法であるブリュアン分光法は、外部から機械的な変形を加えることなく、ミクロン単位の空間分解能で局所的な縦弾性係数を取得できる有望な技術である 。特に長波長の光源を用いることで、皮膚深部の真皮層まで光を到達させ、深度に応じた弾性プロファイルを構築することが可能となる 。

　しかし、従来の吸引法や圧痕法、あるいは超音波を用いた手法では空間分解能に限界があり、表皮のような非常に薄い層を個別に解像して測定することが困難である 。また、光干渉断層撮影法を応用して弾性を評価する手法では、皮膚に対して物理的な応力を加える必要があるという課題がある 。さらに、従来のブリュアン顕微鏡を用いた研究は主に体外での測定に限定されており、生体内での測定においては呼吸や心拍に伴う不可避な検体の動きが原因で、測定位置の正確な深度を特定できず、精緻な弾性写像が得られないという重大な問題点がある 。

　そこで、本研究ではブリュアン顕微鏡と、近赤外光の干渉を利用して組織内部の断層画像を取得する技術である光干渉断層撮影法（OCT）を組み合わせることにより、検体の動きを補正した深度分解型の生体力学測定を実現し、問題を解決した 。ブリュアン顕微鏡の光源には、Cobolt社製の波長660 nmのCWレーザーを使用し、試料から散乱された光を収集して分光計へ導くことでブリュアン偏移を計測した 。OCTを用いて皮膚表面の位置を高速に追跡することで、動きによる誤差を排除し、計測されたブリュアン偏移を正確な深度に対応付けることに成功した 。手首での測定の結果、表皮において7 GHz付近と9から10 GHz付近の二つの山が確認され、後者は角質層における角質化した細胞の硬さに起因すると考えられる 。一方で真皮のブリュアン偏移は6.8 GHzと低く、表皮よりも剛性が低いことが示された 。本手法は、将来的に皮膚疾患が弾性特性に与える影響を非侵襲的に調査するための強力な道具となる 。

※本要約は、Optica Open Access Publishing Agreement に基づき、作成・公開されています。

論文で使用されたCoboltのレーザー

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　アストロサイトは、中枢神経系において恒常性の維持や神経活動の調節、代謝支援を担う星状の細胞である 。この細胞は三次元的に広がる複雑な分岐構造を持ち、シナプスや血管と接触することで脳内の環境を動的に制御している 。細胞の形態は機能や成熟度を反映する重要な指標であり、周囲の微細な環境の変化を敏感に捉える性質がある 。そこで、生体外で生体内に近い複雑な細胞形態を再現するため、ナノメートル単位の微細な線状構造を持つナノワイヤ基板が利用される 。これは細胞外基質の線維構造を模倣し、細胞骨格の再編や極性を誘導する優れた特性を持つ 。一方、細胞を傷つけずに観察する手法として、光の位相を利用して無標識で細胞内の屈折率分布を可視化する三次元画像化技術であるホロトモグラフィーが注目されている 。特に、発光ダイオードなどの干渉性の低い光源を用いる低コヒーレンスホロトモグラフィーは、雑音を抑え、複雑な基板上でも精密な解析を可能にする先進的な技術である。

　しかし、従来の平面的なガラス基板では細胞が不自然に扁平化し、本来の機能を反映する星状構造が失われる問題がある 。また、多くのナノ構造基板は光を通さず散乱が強いため、透過型の観察が極めて困難である 。従来のレーザー光源を用いた画像化法では、基板の不規則な表面による光の散乱が背景の雑音となり、正確な三次元再構成ができないという課題がある 。

　そこで、本研究では透明な二酸化ケイ素ナノワイヤ基板と低コヒーレンスホロトモグラフィーを統合し、無標識での高精度な形態解析を実現した 。解析の結果、ナノワイヤ上では生体内と同等の高度な分岐と成熟が促進されることが証明された 。また、基板の局所的な硬さや機械的特性の空間的な偏りを非接触で精密に測定する目的で、Cobolt社製レーザーを用いたブリルアン顕微鏡による評価が行われた 。これにより、物理的な無秩序さが細胞の成長を促す要因であることが突き止められた 。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

論文で使用されたCoboltのレーザー

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