3 dimensional helical metastructures fabricated by optical vortex

光学涡旋制造的 3 维螺旋超结构

基本信息

批准号：
22K18981
负责人：
尾松孝茂
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

キラリティー(物質の立体構造がその鏡像と空間的に重ならない性質)は物質科学における普遍的テーマである。広く存在する螺旋はキラリティーを持つ構造(秩序)の一つである。光渦とは、螺旋波面に由来する軌道角運動量と螺旋波面の向きで決まるキラリティーを持つ光である。光渦の軌道角運動量の大きさは1波長あたりの波面の捩じれ回数で定義され、原理的には、次数ℓは無限に大きな値にできる。「光渦を物質(金属・半導体・有機薄膜など)に照射すると軌道角運動量が作用してキラルな質量移動が起こり、物質表面にサブミクロンスケールの螺旋構造ができること」を研究代表者は世界で初めて発見した。光渦の軌道角運動量が誘導する光力学的効果である「光渦を物質に照射すると物質表面に螺旋構造ができる」という現象を利用すれば、あらゆる物質の表面を室温大気雰囲気中で螺旋構造に加工できる。しかしながら、これまでの螺旋構造に関する事例のすべては、物質表面あるいは物質同士の界面に限定されている。また、3次元加工の標準光源であるフェムト秒レーザーのようにパルス幅がピコ秒より短くなると、螺旋構造そのものができない。したがって、現象が発見されてから10年近く経過するにもかかわらず、物質内部に光渦による3次元的なキラル構造を形成した事例はない。学理の解明と応用展開に向けて、光渦が誘導する螺旋ファイバーに注目し、その内部構造を定量的に評価した。一光子吸収過程で形成された螺旋ファイバーにガウスビームを入射すると、螺旋ファイバーの内部構造を反映して、光渦モードが発生することを明らかにした。この事実は光渦による物質の内部改質を明確に示唆するものである。

手性（材料的三维结构在空间上不与其镜像重叠的特性）是材料科学中的一个普遍主题。广泛存在的螺旋是一种具有手性的结构（有序）。光学涡旋是具有手性的光，该手性由源自螺旋波前的轨道角动量和螺旋波前的方向决定。光学涡旋的轨道角动量的大小由每个波长的波前扭曲数定义，原则上，l阶可以无限大。 “当材料（金属、半导体、有机薄膜等）受到光涡流照射时，轨道角动量作用，发生手性传质，在材料表面产生亚微米级的螺旋结构， ”首席研究员说道。利用光涡旋轨道角动量引起的光动力效应，“当材料受到光涡旋照射时，在材料表面形成螺旋结构”，可以形成任何材料的表面在室温和大气中均可加工成螺旋结构。然而，迄今为止，螺旋结构的所有示例都仅限于材料表面或材料之间的界面。此外，当脉冲宽度短于皮秒时，例如使用飞秒激光器（三维处理的标准光源），则无法创建螺旋结构本身。因此，尽管这一现象被发现已经过去了近10年，但还没有出现过材料内部由光学涡旋形成三维手性结构的案例。为了阐明理论并开发应用，我们重点关注光学涡旋引导的螺旋光纤并定量评估其内部结构。研究表明，当高斯光束入射到由单光子吸收过程形成的螺旋光纤时，会产生光学涡旋模式，反映螺旋光纤的内部结构。这一事实清楚地表明光学涡流对材料进行了内部改性。