複数の軸対称偏光素子の組み合わせによる様々な光渦ビームの生成

通过组合多个轴对称偏振元件产生各种光学涡旋光束

基本信息

批准号：
14J01485
负责人：
坂本盛嗣
金额：
$ 0.7万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

筆者が所属する研究グループでは、軸対称な偏光特性を有する光学素子(軸対称偏光素子：ASPE)を波面変換素子に用いた光渦生成法を過去に開発している。このASPEには、他の波面変換素子と比べて、(1)波面変換機能が広帯域性に優れる、(2)波面変換を偏光状態で制御可能、という特性がある。本研究の目的は、ASPEの持つこれらの特性を利用した新規な性質を持つ光波の発現とその応用である。本年度の成果は以下の２つである。１．チャープパルスを利用したリング状光格子の超高速回転法の提案とその原理実証を行った。リング状光格子とは、互いに螺旋次数が異なる２つの光渦の干渉によって得られる干渉縞であり、光渦間の相対位相の制御によりパターンを連続回転できる。先に筆者らは、ASPEを利用してリング状光格子を発生させる手法を開発しており、本手法では電気光学変調器による位相制御で最短数ナノ秒の時間周期での光格子の回転を可能としていた。これに対して本年度はさらなる高速回転を目的に、チャープパルスを利用して相対位相を制御する方法を考案した。チャープパルスは自身のパルス波形内で瞬時周波数が時間に依存して変化するという特性を持つ。そのため、２つのチャープパルスに時間差を与えて重ねると、パルス間に数10GHzを超える莫大な周波数差が生じる。互いに異なる時間遅延の生じたチャープパルス対を発生させ、ASPEで別々の光渦へと同軸で変換することにより、瞬時周波数の差の速度で回転するリング状光格子が発生する。実際に本原理に基づいた光学系を構築し、数ピコ秒の時間周期で回転するリング状光格子の生成に成功した。２．リング状光格子を微粒子操作へと応用するために、光トラップの実験に必要な顕微鏡システムを新たに構築し、基礎実験としてガウシアン光を用いたマイクロ粒子の光トラップを行った。本実験から応用に繋がる有益な知見を得た。

笔者所在的研究小组此前开发了一种利用具有轴对称偏振特性的光学元件（轴对称偏振元件：ASPE）作为波前转换元件的光学涡旋产生方法。与其他波前转换元件相比，该ASPE具有以下特点：（1）波前转换函数具有优异的宽带特性；（2）波前转换可以通过偏振态控制。本研究的目的是利用 ASPE 的这些特性及其应用来开发具有新颖特性的光波。今年的结果有以下两个。 1.我们提出了一种使用啁啾脉冲的环形光学晶格超快旋转方法并演示了其原理。环形光栅是由两个不同螺旋级数的光学涡旋干涉得到的干涉条纹，通过控制光学涡旋之间的相对相位可以连续旋转图案。此前，作者开发了一种利用ASPE生成环形光学晶格的方法，在该方法中，通过使用电光调制器控制相位，实现了光学晶格最短时间为几纳秒的旋转。这是可能的。另一方面，今年，我们设计了一种使用线性调频脉冲控制相对相位的方法，目的是实现更高的旋转速度。线性调频脉冲具有瞬时频率在其自身脉冲波形内随时间变化的特性。因此，如果两个啁啾脉冲以时间差重叠，则脉冲之间将出现超过数十GHz的巨大频率差。通过产生一对具有不同时间延迟的啁啾脉冲并在ASPE中将它们同轴地转换成单独的光学涡旋，生成以瞬时频率差的速度旋转的环形光栅。我们实际上根据这个原理构建了一个光学系统，并成功生成了一个以几皮秒的时间周期旋转的环形光学晶格。 2.为了将环形光学晶格应用于微粒操纵，我们构建了光学捕获实验所需的新型显微镜系统，并使用高斯光进行微粒的光学捕获作为基础实验。从这个实验中，我们获得了可以应用的有用知识。