JP2019219618A - 光渦発生方法及び光渦発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑制しつつ、複数の光渦を発生できる光渦発生方法を提供する。【解決手段】光渦発生方法は、工程Ｓ１〜工程Ｓ５を含む。工程Ｓ１において、複数のビームＢｎを生成する。工程Ｓ３において、複数のビームＢｎのうち、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。工程Ｓ５において、位相差の付与された２以上のビームＢｎを含む複数のビームＢｎを、ターゲットＴＡに照射する。工程Ｓ５では、複数のビームＢｎは、互いに異なる方向からターゲットＴＡに入射して、複数のビームＢｎが干渉する。複数のビームＢｎの干渉パターンＰＴＤは、複数のスポットＰを含む。工程Ｓ３では、複数のスポットＰが、それぞれ、複数の回転中心ＲＣの回りを回転するように、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。スポットＰは、回転中心ＲＣの位置する部分よりも光強度の強い部分を示す。【選択図】図６

Description

本発明は、光渦発生方法及び光渦発生装置に関する。

特許文献１に記載された光渦発生装置は、光源部と、螺旋型位相板とを有する。光源部はレーザー光を発生する。螺旋型位相板はレーザー光を光渦に変化させる。

特開２０１５−１６３９１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された光渦発生装置では、複数の光渦を発生するためには、光渦の数と同数の螺旋型位相板を用意することが要求される。その結果、螺旋型位相板の数の増加に伴って光渦発生装置のコストが増加する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストを抑制しつつ、複数の光渦を発生できる光渦発生方法及び光渦発生装置を提供することにある。

本発明の一局面によれば、光渦発生方法は、複数のビームを生成する工程と、前記複数のビームのうち、２以上のビームに位相差を付与する工程と、前記位相差の付与された前記２以上のビームを含む前記複数のビームを、ターゲットに照射する工程とを含む。照射する前記工程では、前記複数のビームは、互いに異なる方向から前記ターゲットに入射して、前記複数のビームが干渉する。前記複数のビームの干渉パターンは、複数のスポットを含む。付与する前記工程では、前記複数のスポットが、それぞれ、複数の回転中心の回りを回転するように、前記２以上のビームに前記位相差を付与する。前記スポットは、前記回転中心の位置する部分よりも光強度の強い部分を示す。

本発明の光渦発生方法では、前記複数のビームにおいて、互いに隣り合うビーム間の角度は、実質的に等しいことが好ましい。前記ターゲットへの前記複数のビームの入射角は、実質的に等しいことが好ましい。

本発明の光渦発生方法において、前記２以上のビームに付与される前記位相差の各々は、前記複数のビームのうち前記２以上のビームと異なるビームを基準としたときの位相差を示し、所定値のＭ倍（Ｍは１以上の整数）であることが好ましい。前記２以上のビームに付与される前記位相差に対してそれぞれ前記Ｍの値が設定されていることが好ましい。

本発明の光渦発生方法において、前記複数のビームは、６本のビームであることが好ましい。前記所定値は、π／３ラジアン、又は、−π／３ラジアンであることが好ましい。

本発明の光渦発生方法において、照射する前記工程では、前記複数のビームの干渉によって三角格子状に配列される複数の光渦を形成することが好ましい。

本発明の光渦発生方法は、付与する前記工程と照射する前記工程との間で実行され、前記複数のビームを調節する工程をさらに含むことが好ましい。調節する前記工程では、前記複数のビームを調節して、前記複数のビームに基づく複数の光渦の発生する領域の大きさと、前記複数の光渦の間隔と、前記複数の光渦の発生する位置とのうちの少なくとも１つを調節することが好ましい。

本発明の他の局面によれば、光渦発生装置は、マルチビーム生成部と、位相差付与部と、照射部とを備える。マルチビーム生成部は、複数のビームを生成する。位相差付与部は、前記複数のビームのうち、２以上のビームに位相差を付与する。照射部は、前記位相差の付与された前記２以上のビームを含む前記複数のビームを、ターゲットに照射する。前記複数のビームは、互いに異なる方向から前記ターゲットに入射して、前記複数のビームが干渉する。前記複数のビームの干渉パターンは、複数のスポットを含む。前記位相差付与部は、前記複数のスポットが、それぞれ、複数の回転中心の回りを回転するように、前記２以上のビームに前記位相差を付与する。前記スポットは、前記回転中心の位置する部分よりも光強度の強い部分を示す。

本発明によれば、コストを抑制しつつ、複数の光渦を発生できる。

本発明の実施形態１に係る光渦発生装置を示す図である。 （ａ）は、実施形態１に係る光渦発生装置が発生する複数の光渦を含む干渉パターンを示す図である。（ｂ）は、実施形態１に係る光渦発生装置が発生する複数の光渦の各々の強度を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施形態１に係る光渦発生装置が生成する複数のビームの干渉パターンの時間変化を示す図である。 （ａ）は、実施形態１に係る光渦発生装置が生成する複数のビームを示す斜視図である。（ｂ）は、実施形態１に係る光渦発生装置が生成する複数のビームを示す平面図である。 （ａ）は、実施形態１に係る光渦発生装置が生成する６本のビームの位相差の例を示す図である。（ｂ）は、実施形態１に係る光渦発生装置が生成する６本のビームの位相差の他の例を示す図である。 実施形態１に係る光渦発生装置が実行する光渦発生方法を示すフローチャートである。 （ａ）は、本発明の実施形態２に係る光渦発生装置が生成する６本のビームの位相差の例を示す図である。（ｂ）は、（ａ）に示す位相差を有する６本のビームに基づく光渦を示す斜視図である。（ｃ）は、（ａ）に示す位相差を反転したときの位相差を示す図である。（ｄ）は、（ｃ）に示す位相差を有する６本のビームに基づく光渦を示す斜視図である。 （ａ）は、実施形態２に係る光渦発生装置が生成する複数のビームの位相差の他の例を示す図である。（ｂ）は、（ａ）に示す位相差を反転したときの位相差の例を示す図である。（ｃ）は、（ａ）に示す位相差を反転したときの位相差の他の例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る光渦発生装置を示す図である。 実施形態３に係る光渦発生装置が実行する光渦発生方法を示すフローチャートである。 （ａ）は、本発明の実施例１に係る複数の光渦を示す図である。（ｂ）は、実施例１に係る６本のビームの位相差を示す図である。 比較例に係る一般的な光渦を示す図である。 （ａ）〜（ｌ）は、実施例１に係る光渦を形成するスポットの動きを示す図である。 （ａ）は、本発明の実施例２に係る複数の光渦を示す図である。（ｂ）は、実施例２に係る６本のビームの位相差を示す図である。 （ａ）〜（ｌ）は、実施例２に係る光渦を形成するスポットの動きを示す図である。 （ａ）は、本発明の実施例３に係る光渦を示す図である。（ｂ）は、実施例３に係る４本のビームの位相差を示す図である。 （ａ）〜（ｌ）は、実施例３に係る光渦を形成するスポットの動きを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

（実施形態１）
図１〜図６を参照して、本発明の実施形態１に係る光渦発生装置１００及び光渦発生方法を説明する。まず、図１を参照して光渦発生装置１００を説明する。図１は、実施形態１に係る光渦発生装置１００を示す図である。

図１に示すように、光渦発生装置１００は、レーザー発振器１と、マルチビーム生成部３と、コリメートレンズ５と、位相差付与部７と、集光レンズ９とを備える。集光レンズ９は「照射部」の一例に相当する。

レーザー発振器１はレーザー光ＬＴを発生する。レーザー光ＬＴは、連続波であってもよいし、複数のパルス光を含んでいてもよい。レーザー光ＬＴは、可視光であってもよいし、不可視光であってもよく、レーザー光ＬＴの波長は特に限定されない。

マルチビーム生成部３は、レーザー光ＬＴに基づいて複数のビームＢｎ（ｎは１以上の整数）を生成する。具体的には、マルチビーム生成部３は、レーザー光ＬＴを分割して複数のビームＢｎを生成する。複数のビームＢｎはコリメートレンズ５に入射する。

具体的には、マルチビーム生成部３は回折格子３１を含む。回折格子３１は、例えば、透過型回折格子である。回折格子３１は、レーザー光ＬＴの一部を回折させることなく透過させて、ビームＢ０として出射する。ビームＢ０は、回折格子３１と集光レンズ９との間の光路において遮断される。従って、ビームＢ０は、ターゲットＴＡに照射されない。また、回折格子３１は、レーザー光ＬＴを回折させて、レーザー光ＬＴの一部を複数のビームＢｎに分割する。

なお、マルチビーム生成部３は、回折格子３１に代えて、ビーム分割光学系を含んでいてもよい。そして、ビーム分割光学系が、レーザー光ＬＴを分割して複数のビームＢｎを生成する。ビーム分割光学系は、例えば、複数のハーフミラー等を含む。ビーム分割光学系は、例えば、複数のハーフミラーに加えて、単数又は複数のキューブ型ビームスプリッター等を含んでいてもよい。

コリメートレンズ５は、複数のビームＢｎをコリメートする。コリメートされた複数のビームＢｎは位相差付与部７に入射する。コリメートレンズ５は、例えば、凸レンズである。

位相差付与部７は、複数のビームＢｎのうち、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。位相差の付与された２以上のビームＢｎを含む複数のビームＢｎは、集光レンズ９に入射する。

位相差付与部７は、例えば、複数のガラス板を含む光学遅延器を含む。光学遅延器は、ガラス板の傾斜角を調節してビームＢｎを遅延し、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。又は、位相差付与部７は、例えば、１枚のガラス板の中で複数のビームＢｎを遅延し、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。又は、位相差付与部７は、例えば、一枚の螺旋型位相板を有し、一枚の螺旋型位相板における異なる複数の場所に複数のビームＢｎを入射して、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。一枚の螺旋型位相板における異なる複数の場所では互いに厚みが異なる。又は、位相差付与部７は、例えば、互いに厚みの異なる複数のガラス板を有し、複数のガラス板にそれぞれ複数のビームＢｎを入射して、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。

又は、位相差付与部７は、例えば、空間位相変調器を含む。空間位相変調器は、マトリクス状に配置された複数の画素を含む。空間位相変調器は、画素ごとに、画素に入射する光の位相を変調することができる。空間位相変調器は、ビームＢｎの波面の位相を変調して、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。又は、位相差付与部７は、例えば、複数のピエゾ駆動ミラーを含んでいてもよい。ピエゾ駆動ミラーとは、ピエゾ素子によって駆動されるミラーのことである。位相差付与部７は、ピエゾ駆動ミラーによってビームＢｎの光路を調節して、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。

集光レンズ９は、複数のビームＢｎをターゲットＴＡに照射する。従って、集光レンズ９は対物レンズとして機能する。集光レンズ９は、例えば、凸レンズである。ターゲットＴＡは、例えば、固体、液体、又は気体である。集光レンズ９を通過した複数のビームＢｎは、互いに異なる方向からターゲットＴＡに入射して、複数のビームＢｎが干渉する。具体的には、複数のビームＢｎがターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中で干渉する。その結果、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に複数の光渦（具体的には多数の光渦）が発生する。具体的には、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に複数の光渦（具体的には多数の光渦）が同時に発生する。光渦とは、特異点を有し、等位相面が螺旋面を形成する光のことである。

なお、集光レンズ９は、ターゲットＴＡの側に焦点距離ｄ１を有し、コリメートレンズ５の側に焦点距離ｄ２を有する。焦点距離ｄ１と焦点距離ｄ２とは略同一である。一方、コリメートレンズ５は、集光レンズ９の側に焦点距離ｄ３を有し、マルチビーム生成部３の側に焦点距離ｄ４を有する。焦点距離ｄ３と焦点距離ｄ４とは略同一である。そして、集光レンズ９の焦点距離ｄ２に位置する焦点面が、コリメートレンズ５の焦点距離ｄ３に位置する焦点面と略一致することが好ましい。この好ましい例では、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中で複数のビームＢｎを高精度で重ねることができ、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中で複数のビームＢｎを効果的に干渉させることができる。その結果、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に複数の光渦（具体的には多数の光渦）を効果的に発生できる。

複数の光渦は、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中で複数のビームＢｎの干渉パターンとして観測される。干渉パターンは、複数のビームＢｎの干渉に基づく光強度の空間分布を表す。具体的には、複数のビームＢｎが干渉する場合、ある座標の電界は、その座標における全ビームＢｎの電界の合計である。一方、光強度は、電界強度の２乗に比例する。従って、複数のビームＢｎが干渉する場合、ある座標の光強度は、その座標における全ビームＢｎの電界強度の合計の２乗に比例する。そして、干渉パターンは、直交座標系の各座標において、複数のビームＢｎの干渉に基づく光強度を表す。

次に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、光渦ＶＴを説明する。図２（ａ）は、光渦発生装置１００が発生する複数の光渦ＶＴを含む干渉パターンＰＴを示す図である。図２（ａ）では、ターゲットＴＡ（図１）の表面又は内部における干渉パターンＰＴが示される。図２（ｂ）は、複数の光渦ＶＴの各々の強度を示す図である。図２（ｂ）では、黒色から白色までの濃淡によって光強度を表している。白色に近い程、光強度が強いことを示している。なお、光渦ＶＴ間では光強度が弱いが、図２（ｂ）では、光渦ＶＴの形状が分かるように、光渦ＶＴ間の領域を透明にしている。また、図２（ａ）及び図２（ｂ）では、多数の光渦ＶＴのうちの一部の光渦ＶＴが示されている。

図２（ａ）に示すように、干渉パターンＰＴは、複数の光渦ＶＴ（具体的には多数の光渦ＶＴ）を含む。複数の光渦ＶＴの各々は特異点ＳＧを有する。特異点ＳＧでの光強度は略ゼロである。複数の光渦ＶＴは周期的に配列されている。図２（ａ）の例では、複数の光渦ＶＴは、三角格子状に配列されている。図２（ｂ）に示すように、複数の光渦ＶＴの各々のＺ軸方向の光強度は略一定である。複数の光渦ＶＴの光強度は互いに略同一である。

図２（ａ）に示す干渉パターンＰＴは、全ビームＢｎの電界強度の合計の２乗をビームＢｎの１周期Ｔ分だけ積分することによって算出される。１周期Ｔは、ビームＢｎの波長λｃを光速ｖｃで割った値である（Ｔ＝λｃ／ｖｃ）。

具体的には、干渉パターンＰＴは、時間軸上に並ぶ１周期Ｔ分の複数の干渉パターン（以下、「干渉パターンＰＴＤ」と記載する。）の積算として表される。例えば、複数の干渉パターンＰＴＤの各々は、全ビームＢｎの電界強度の合計の２乗を時間ｔだけ積分することによって算出される。時間ｔは、例えば、１周期ＴをＫ（Ｋは２以上の整数）分割した値である。つまり、ｔ＝Ｔ／Ｋ、である。時間ｔの長さは特に限定されず、「Ｋ」には、２以上の任意の整数を設定できる。例えば、時間ｔが１周期Ｔよりも十分短くなるように、「Ｋ」の値が設定される。

次に、図３（ａ）〜図３（ｅ）を参照して、干渉パターンＰＴＤを説明する。図３（ａ）〜図３（ｅ）は、干渉パターンＰＴＤの時間変化を示す図である。図３（ａ）〜図３（ｅ）では、理解を容易にするために、互いに直交する補助線ＡＬを付記している。また、干渉パターンＰＴＤは、全ビームＢｎの電界強度の合計の２乗を時間ｔ（＝Ｔ／５）だけ積分することによって算出される。つまり、図３（ａ）〜図３（ｅ）に示す複数の干渉パターンＰＴＤは、それぞれ、０〜ｔの積分値、ｔ〜２ｔの積分値、２ｔ〜３ｔの積分値、３ｔ〜４ｔの積分値、及び、４ｔ〜５ｔの積分値を示す。

図３（ａ）に示すように、複数のビームＢｎの干渉パターンＰＴＤは複数のスポットＰ（具体的には多数のスポットＰ）を含む。複数のスポットＰのうち互いに隣り合うスポットＰ１とスポットＰ２とは、スポットペアＳＰを構成する。従って、干渉パターンＰＴＤは複数のスポットペアＳＰ（具体的には多数のスポットペアＳＰ）を含む。スポットＰは、干渉パターンＰＴＤにおける光強度のピークを示す。

ここで、１つのスポットペアＳＰに着目する。図３（ａ）〜図３（ｅ）に示すように、スポットペアＳＰは、回転中心ＲＣの回りに１周期Ｔで一回転する。その結果、１周期Ｔ分の光渦ＶＴが形成される。つまり、１つのスポットペアＳＰが一回転することで、１周期Ｔ分の１つの光渦ＶＴが形成される。スポットペアＳＰが一回転することは、スポットペアＳＰが３６０度回転することを示す。具体的には、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々が、回転中心ＲＣの回りに１周期Ｔで一回転する。

回転中心ＲＣでは、光強度が略ゼロである。従って、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣの位置する部分よりも光強度の強い部分を示す。回転中心ＲＣが特異点ＳＧに相当する。回転中心ＲＣは、スポットＰ１とスポットＰ２との間に位置する。なお、図３（ａ）〜図３（ｅ）では、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣの回りに、反時計回りに回転している。

以上、図３（ａ）〜図３（ｅ）を参照して説明したように、１つのスポットペアＳＰが回転中心ＲＣの回りを回転することで、１つの光渦ＶＴが発生する。すなわち、光強度が略ゼロとなる回転中心ＲＣの回りをスポットペアＳＰが回転している状態は、一般的な光渦において、光強度が略ゼロとなる特異点の回りを等位相面が回転することにより軌道角運動量を発生する状態に相当する。従って、回転中心ＲＣの回りをスポットペアＳＰが回転することによって、一般的な光渦と同様の光渦ＶＴを発生できる。

実施形態１では、複数のスポットペアＳＰが、それぞれ、複数の回転中心ＲＣの回りを回転するように、位相差付与部７は、複数のビームＢｎのうちの２以上のビームＢｎに位相差を付与している。その結果、複数の光渦ＶＴ（図２（ａ））を発生できる。この場合、スポットペアＳＰがビームＢｎの１周期Ｔで一回転するように、位相差付与部７は、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。特に、実施形態１では、光渦発生装置１００は、複数の螺旋型位相板を用意する必要がないので、光渦発生装置１００のコストを抑制しつつ、複数の光渦ＶＴを発生できる。

具体的には、１つの光渦ＶＴは、スポットＰ１の回転に対応した螺旋状の第１等位相面と、スポットＰ２の回転に対応した螺旋状の第２等位相面とを有する。第１等位相面及び第２等位相面の各々は周期Ｔを有する。従って、回転中心ＲＣの回りのスポットＰ１だけの回転によっても光渦（螺旋状の第１等位相面）が発生するし、回転中心ＲＣの回りのスポットＰ２だけの回転によっても光渦（螺旋状の第２等位相面）が発生する。

実施形態１では、複数のスポットＰ１が、それぞれ、複数の回転中心ＲＣの回りを回転するように、位相差付与部７は、複数のビームＢｎのうちの２以上のビームＢｎに位相差を付与している。その結果、複数の光渦（螺旋状の第１等位相面）を発生できる。この場合、スポットＰ１がビームＢｎの１周期Ｔで一回転するように、位相差付与部７は、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。特に、実施形態１では、位相差の付与によって光渦を発生するため、複数の螺旋型位相板を用意する必要がなく、光渦発生装置１００のコストを抑制しつつ、複数の光渦を発生できる。

同様に、複数のスポットＰ２が、それぞれ、複数の回転中心ＲＣの回りを回転するように、位相差付与部７は、複数のビームＢｎのうちの２以上のビームＢｎに位相差を付与している。その結果、複数の光渦（螺旋状の第２等位相面）を発生できる。この場合、スポットＰ２がビームＢｎの１周期Ｔで一回転するように、位相差付与部７は、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。

なお、全てのビームＢｎの位相が同じ場合、光強度の空間分布は、回転することなく静止したままで一定であり、光強度だけが強弱の変化を繰り返す。

次に、図１、図４（ａ）、及び図４（ｂ）を参照して、複数のビームＢｎを説明する。図４（ａ）は、複数のビームＢｎを示す斜視図である。図４（ｂ）は、複数のビームＢｎを示す平面図である。図４（ｂ）では、図４（ａ）に示すＺ軸方向から複数のビームＢｎを見ている。

図４（ａ）に示すように、ターゲットＴＡの表面に三次元直交座標系の原点Ｏが設定される。Ｚ軸は、ターゲットＴＡに直交する。Ｘ軸及びＹ軸の各々は、ターゲットＴＡの表面に平行である。Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは互いに直交する。Ｚ軸は、複数のビームＢｎの中心軸である。従って、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、複数のビームＢｎは、Ｚ軸に対して軸対称である。また、複数のビームＢｎのうち、Ｚ軸を介して互いに対向する２つのビームＢｎは、Ｚ軸に対して線対称である。図１に示すように、マルチビーム生成部３が回折格子３１を含む場合は、非回折光であるビームＢ０がＺ軸と略一致する。また、ビームＢ０の進行方向がＺ軸方向と略一致する。

ターゲットＴＡへの複数のビームＢｎの入射角θｎ（ｎは１以上の整数）は、実質的に等しい。例えば、複数の入射角θｎが、平均値θＡに対して平均値θＡの±Ｑｘ％以内であれば、複数の入射角θｎが実質的に等しいことに相当する。平均値θＡは複数の入射角θｎの平均値を示す。「Ｑｘ％」は、例えば、２０％であり、１０％が好ましく、５％が更に好ましく、１％が更に好ましい。

複数の入射角θｎの各々は、Ｚ軸に対するビームＢｎの入射角を示す。入射角θｎは鋭角である。マルチビーム生成部３とコリメートレンズ５と集光レンズ９とによって、複数のビームＢｎの入射角θｎが設定される。マルチビーム生成部３とコリメートレンズ５と集光レンズ９とは、複数のビームＢｎの入射角θｎが実質的に同一になるように、複数のビームＢｎを調節する。

複数のビームＢｎにおいて、Ｚ軸の回りの円周方向ＣＤに互いに隣り合うビームＢｎ間の角度Φｎ（ｎは１以上の整数）は、実質的に等しい。つまり、複数の角度Φｎは実質的に等しい。角度Φｎは、円周方向ＣＤに互いに隣り合う２本のビームＢｎのうちの一方のビームＢｎに対する他方のビームＢｎの方位を示す。そこで、以下、角度Φｎを「方位角Φｎ」と記載する。例えば、複数の方位角Φｎが、平均値ΦＡに対して平均値ΦＡの±Ｑｙ％以内であれば、複数の方位角Φｎが実質的に等しいことに相当する。平均値ΦＡは複数の方位角Φｎの平均値を示す。「Ｑｙ％」は、例えば、２０％であり、１０％が好ましく、５％が更に好ましく、１％が更に好ましい。

マルチビーム生成部３によって、複数の方位角Φｎが設定される。マルチビーム生成部３は、複数のビームＢｎにおける方位角Φｎが実質的に等しくなるように、複数のビームＢｎを生成する。例えば、マルチビーム生成部３は、複数のビームＢｎにおける方位角Φｎが実質的に等しくなるように、レーザー光ＬＴを分割して、複数のビームＢｎを生成する。又は、例えば、マルチビーム生成部３は、レーザー光ＬＴを分割して複数のビームＢｎを生成した後に、複数のビームＢｎにおける方位角Φｎが実質的に等しくなるように複数のビームＢｎを調節する。

複数のビームＢｎの光強度は、実質的に等しい。つまり、マルチビーム生成部３は、複数のビームＢｎの光強度が実質的に同一になるように、レーザー光ＬＴを分割して、複数のビームＢｎを生成する。なお、複数のビームＢｎの波長は同一である。

以上、図１、図４（ａ）、及び図４（ｂ）を参照して説明したように、複数のビームＢｎの入射角θｎは、実質的に等しい。加えて、複数のビームＢｎにおいて、複数の方位角Φｎは、実質的に等しい。従って、複数のビームＢｎは、位相差を除いて互いに同等の条件で干渉する。その結果、実施形態１によれば、２以上のビームＢｎに付与する位相差に応じて、周期的に配列した複数の光渦ＶＴ（図２（ａ））を発生できる。この点は、後述する実施例１〜実施例３から明らかである。

引き続き図４（ｂ）を参照して、位相差付与部７がビームＢｎに付与する位相差を説明する。２以上のビームＢｎに付与される位相差の各々は、複数のビームＢｎのうち、位相差の付与される２以上のビームＢｎと異なるビームＢｎを基準としたときの位相差を示す。つまり、位相差の各々は、位相差の付与されない基準のビームＢｎに対する位相差を示す。例えば、位相差の各々は、ビームＢ１を基準としたときの位相差を示す。以下、特に明示しない限り、位相差は、基準のビームＢｎに対する位相差を示す。

なお、例えば、ビームＢ２の位相が基準のビームＢ１の位相に対して進んでいる場合、ビームＢ２に付与された位相差の符号は「正」である。これに対して、例えば、ビームＢ２の位相が基準のビームＢ１の位相に対して遅れている場合、ビームＢ２に付与された位相差の符号は「負」である。

実施形態１では、２以上のビームＢｎに付与される位相差の各々は、所定値（以下、「所定値Ｊ」と記載する。）のＭ倍（Ｍは１以上の整数）である。そして、２以上のビームＢｎに付与される位相差に対してそれぞれＭの値が設定されている。その結果、所定値ＪのＭ倍の位相差に応じて、周期的に配列した複数の光渦ＶＴ（図２（ａ））を発生できる。この点は、後述する実施例１〜実施例３から明らかである。なお、Ｍの値は、例えば、位相差の付与される２以上のビームＢｎごとに異なっていてもよいし、位相差の付与される２以上のビームＢｎで同じでもよい。

なお、位相差の表し方は、特に限定されない。例えば、位相差は、円周方向ＣＤに互いに隣り合う２つのビームＢｎのうちの一方のビームＢｎの位相と他方のビームＢｎの位相との差を示してもよい。なお、例えば、一方のビームＢｎの位相が他方のビームＢｎの位相に対して進んでいる場合、一方のビームＢｎに付与された位相差の符号は「正」である。これに対して、例えば、一方のビームＢｎの位相が他方のビームＢｎの位相に対して遅れている場合、一方のビームＢｎに付与された位相差の符号は「負」である。

次に、図１及び図４（ａ）〜図５（ｂ）を参照して、具体例を挙げながら光渦発生装置１００を説明する。具体例では、複数のビームＢｎは６本のビームＢｎである。

すなわち、図１、図４（ａ）、及び図４（ｂ）に示すように、マルチビーム生成部３は、レーザー光ＬＴに基づいて６本のビームＢ１〜Ｂ６を生成する。具体的には、マルチビーム生成部３は、レーザー光ＬＴを分割して６本のビームＢ１〜Ｂ６を生成する。

位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。コリメートレンズ５は、６本のビームＢ１〜Ｂ６をコリメートする。集光レンズ９は、６本のビームＢ１〜Ｂ６をターゲットＴＡに照射する。６本のビームＢ１〜Ｂ６は、互いに異なる方向からターゲットＴＡに入射して、６本のビームＢ１〜Ｂ６が干渉する。

６本のビームＢ１〜Ｂ６の干渉パターンＰＴＤは、複数のスポットＰを含む（図３（ａ）〜図３（ｅ））。位相差付与部７は、複数のスポットＰが、それぞれ、複数の回転中心ＲＣの回りを回転するように、２以上のビームＢｎに位相差を付与している。

６本のビームＢ１〜Ｂ６の入射角θ１〜θ６は、実質的に等しい。入射角θ１〜θ６の各々は、例えば、２０度である。６本のビームＢ１〜Ｂ６において、円周方向ＣＤに互いに隣り合うビームＢｎ間の方位角Φ１〜Φ６は、実質的に等しい。方位角Φ１〜Φ６の各々は、略６０度である。

実施形態１では、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、２以上のビームＢｎに付与する位相差の各々は、所定値ＪのＭ倍である。具体的には、所定値Ｊは、π／３ラジアン、又は、−π／３ラジアンである。その結果、実施形態１によれば、所定値Ｊ（π／３ラジアン、又は、−π／３ラジアン）のＭ倍の位相差に応じて、周期的に配列した複数の光渦ＶＴ（図２（ａ））を発生できる。この点は、後述する実施例１及び実施例２から明らかである。

図５（ａ）は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうちの５本のビームＢ２〜Ｂ６に付与される位相差を示す図である。図５（ａ）では、理解の容易のため、位相差は、円周方向ＣＤに互いに隣り合う２つのビームＢｎ間の位相差を示している。図５（ａ）に示すように、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、基準としてのビームＢ１を除いて、他のビームＢ２〜Ｂ６の各々に、円周方向ＣＤの反時計回りに位相差「＋π／３」を付与する。

換言すれば、図５（ａ）では、位相差付与部７は、位相差を付与しない基準のビームＢ１に対して、円周方向ＣＤの反時計回りに、ビームＢ２に位相差「＋π／３」を付与し、ビームＢ３に位相差「＋２π／３」を付与し、ビームＢ４に位相差「＋３π／３」を付与し、ビームＢ５に位相差「＋４π／３」を付与し、ビームＢ６に位相差「＋５π／３」を付与する。つまり、所定値Ｊは「＋π／３」である。そして、ビームＢ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６の位相差に対するＭの値は、それぞれ、１、２、３、４、５、である。

なお、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、基準としてのビームＢ１を除いて、他のビームＢ２〜Ｂ６の各々に、円周方向ＣＤの反時計回りに位相差「−π／３」を付与してもよい。つまり、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、基準としてのビームＢ６を除いて、他のビームＢ５〜ビームＢ１の各々に、円周方向ＣＤの時計回りに位相差「＋π／３」を付与してもよい。

換言すれば、位相差付与部７は、位相差を付与しない基準のビームＢ６に対して、円周方向ＣＤの時計回りに、ビームＢ５に位相差「＋π／３」を付与し、ビームＢ４に位相差「＋２π／３」を付与し、ビームＢ３に位相差「＋３π／３」を付与し、ビームＢ２に位相差「＋４π／３」を付与し、ビームＢ１に位相差「＋５π／３」を付与してもよい。つまり、所定値Ｊは「＋π／３」である。そして、ビームＢ５、Ｂ４、Ｂ３、Ｂ２、Ｂ１の位相差に対するＭの値は、それぞれ、１、２、３、４、５、である。

以上、図５（ａ）を参照して説明したように、実施形態１によれば、６本のビームＢｎのうち、基準としてのビームＢｎを除いて、他のビームＢｎの各々に、円周方向ＣＤの時計回り又は反時計回りに位相差「＋π／３」又は位相差「−π／３」を付与する。その結果、三角格子状に配列した複数の光渦ＶＴを発生できる。この点は、後述する実施例１から明らかである。

図５（ｂ）は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうちの３本のビームＢ３、Ｂ５、Ｂ６に付与される位相差を示す図である。図５（ｂ）では、位相差の各々は、位相差の付与されない基準のビームＢ１に対する位相差を示す。図５（ｂ）に示すように、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、Ｚ軸を介して互いに対向するビームＢ３とビームＢ６との各々に位相差「＋π／３」を付与するとともに、他の４本のビームＢ１、Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５のうちの１つのビームＢ５に位相差「＋π／３」を付与する。つまり、ビームＢ１に対するビームＢ２の位相差はゼロであり、ビームＢ１に対するビームＢ４の位相差はゼロである。また、ビームＢ１に対するビームＢ３の位相差は「＋π／３」であり、ビームＢ１に対するビームＢ５の位相差は「＋π／３」であり、ビームＢ１に対するビームＢ６の位相差は「＋π／３」である。なお、所定値Ｊは「＋π／３」である。そして、ビームＢ３、Ｂ５、Ｂ６の位相差に対するＭの値は、「１」、である。

なお、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、Ｚ軸を介して互いに対向するビームＢ３とビームＢ６との各々に位相差「−π／３」を付与するとともに、他の４本のビームＢ１、Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５のうちの１つのビームＢ５に位相差「−π／３」を付与してもよい。つまり、ビームＢ１に対するビームＢ２の位相差はゼロであり、ビームＢ１に対するビームＢ４の位相差はゼロである。また、ビームＢ１に対するビームＢ３の位相差は「−π／３」であり、ビームＢ１に対するビームＢ５の位相差は「−π／３」であり、ビームＢ１に対するビームＢ６の位相差は「−π／３」である。

以上、図５（ｂ）を参照して説明したように、実施形態１によれば、互いに対向する２つのビームＢｎの各々に位相差「＋π／３」又は位相差「−π／３」を付与するとともに、他の４本のビームＢｎのうちの１つのビームＢｎに位相差「π／３」又は位相差「−π／３」を付与する。その結果、三角格子状に配列した複数の光渦ＶＴを発生できる。この点は、後述する実施例２から明らかである。

次に、図１及び図６を参照して、光渦発生方法を説明する。図６は、光渦発生方法を示すフローチャートである。光渦発生方法は光渦発生装置１００によって実行される。図６に示すように、光渦発生方法は、工程Ｓ１〜工程Ｓ５を含む。

図１及び図６に示すように、工程Ｓ１において、マルチビーム生成部３は、複数のビームＢｎ（例えば、６本のビームＢｎ）を生成する。

工程Ｓ３において、位相差付与部７は、複数のビームＢｎのうち、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。具体的には、工程Ｓ３では、干渉パターンＰＴＤ（図３（ａ）〜図３（ｅ））に含まれる複数のスポットＰが、それぞれ、複数の回転中心ＲＣの回りを回転するように、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。

工程Ｓ５において、集光レンズ９は、位相差の付与された２以上のビームＢｎを含む複数のビームＢｎを、ターゲットＴＡに照射する。工程Ｓ５では、複数のビームＢｎは、互いに異なる方向からターゲットＴＡに入射して、複数のビームＢｎが干渉する。複数のビームＢｎの干渉パターンＰＴＤは、複数のスポットＰを含む（図３（ａ）〜図３（ｅ））。

例えば、工程Ｓ５では、複数のビームＢｎの干渉によって三角格子状に配列される複数の光渦ＶＴを形成する（図２（ａ））。例えば、工程Ｓ１〜工程Ｓ５において、「複数のビームＢｎ」を「６本のビームＢ１〜Ｂ６」にすることによって、三角格子状に配列される複数の光渦ＶＴを形成する。そして、工程Ｓ３では、位相差付与部７が、複数の光渦ＶＴが三角格子状に配列されるように、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。

なお、工程Ｓ５では、複数のビームＢｎの干渉によって四角格子状に配列される複数の光渦を形成してもよい。例えば、工程Ｓ１〜工程Ｓ５において、「複数のビームＢｎ」を「４本のビームＢ１〜Ｂ４」にすることによって、四角格子状に配列される複数の光渦を形成する。そして、工程Ｓ３では、位相差付与部７が、複数の光渦が四角格子状に配列されるように、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。

例えば、４本のビームＢ１〜Ｂ４のうち、２以上のビームＢｎに付与する位相差の各々は、所定値ＪのＭ倍である。具体的には、所定値Ｊは、π／２ラジアン、又は、−π／２ラジアンである。その結果、所定値Ｊ（π／２ラジアン、又は、−π／２ラジアン）のＭ倍の位相差に応じて、周期的に配列した複数の光渦を発生できる。この点は、後述する実施例３から明らかである。この例では、位相差は、基準のビームＢｎに対する位相差を示している。

例えば、４本のビームＢ１〜Ｂ４のうち、基準としてのビームＢｎを除いて、他のビームＢｎの各々に、円周方向ＣＤの時計回り又は反時計回りに位相差「＋π／２」又は位相差「−π／２」を付与する。その結果、四角格子状に配列した複数の光渦を発生できる。この点は、後述する実施例３から明らかである。この例では、位相差は、円周方向ＣＤに互いに隣り合う２つのビームＢｎ間の位相差を示している。

なお、干渉パターンＰＴＤに含まれる複数のスポットＰが、それぞれ、複数の回転中心ＲＣの回りを回転する限りにおいては、複数のビームＢｎの本数は、６本及び４本に限定されない。

以上、図１〜図６を参照して説明したように、実施形態１によれば、位相差付与部７が２以上のビームＢｎに位相差を付与することで、干渉パターンＰＴの全面にわたって多数の光渦ＶＴを配列できる。具体的には、多数の光渦ＶＴが、同時に発生して規則的に配列される。更に具体的には、多数の光渦ＶＴが、同時に発生して周期的に配列される。従って、多数の光渦ＶＴを使用した並列作業又は並列処理が可能である。例えば、多重光通信、量子情報処理、非線形分光、物質合成、及び物質プロセシングのような分野において、同時に発生する多数の光渦ＶＴを使用した並列処理又は並列作業が可能になる。

（実施形態２）
図１及び図７（ａ）〜図８（ｃ）を参照して、本発明の実施形態２に係る光渦発生装置１００及び光渦発生方法を説明する。実施形態２に係る光渦発生装置１００が位相差を反転させる点で、実施形態２は実施形態１と主に異なる。その他、実施形態２に係る光渦発生装置１００の構成は、実施形態１に係る光渦発生装置１００の構成と同様である。以下、実施形態２が実施形態１と異なる点を主に説明する。

まず、図１を参照して、実施形態２に係る光渦発生装置１００を説明する。光渦発生装置１００の位相差付与部７は、２以上のビームＢｎに付与される位相差が反転するように、複数のビームＢｎのうち、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。従って、図３（ａ）〜図３（ｅ）に示すスポットペアＳＰの回転方向が、反転する。例えば、スポットペアＳＰの回転方向が、反時計回りから時計回りに反転する。その結果、実施形態２によれば、光渦ＶＴの回転方向を反転することができる。

具体的には、位相差付与部７は、円周方向ＣＤに並んだ複数のビームＢｎにおいて、位相差の変化の方向を反転する。又は、位相差付与部７は、２以上のビームＢｎに付与する位相差の符号を反転する。

次に、図７（ａ）〜図８（ｃ）を参照して、具体例を挙げながら光渦発生装置１００を説明する。具体例では、複数のビームＢｎは６本のビームＢｎである。

図７（ａ）は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうちの５本のビームＢ２〜Ｂ６に付与される位相差を示す図である。図７（ａ）では、理解の容易のため、位相差は、円周方向ＣＤに互いに隣り合う２つのビームＢｎ間の位相差を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す位相差を有する６本のビームＢｎに基づく光渦ＶＴを示す斜視図である。

図７（ａ）に示すように、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、基準としてのビームＢ１を除いて、他のビームＢ２〜Ｂ６の各々に、円周方向ＣＤの反時計回りに位相差「＋π／３」を付与する。その結果、干渉パターンＰＴＤに含まれるスポットペアＳＰが、例えば反時計回りに回転して（図３（ａ）〜図３（ｅ））、図７（ｂ）に示すように、光渦ＶＴが発生する。光渦ＶＴは、光渦ＶＴの進行方向Ｄに向かって反時計回りに回転している。この点は、図５（ａ）を参照して説明した実施形態１と同様である。

なお、１つの光渦ＶＴは、図３（ａ）〜図３（ｅ）に示すスポットＰ１の回転に対応した螺旋状の第１等位相面５１と、スポットＰ２の回転に対応した螺旋状の第２等位相面５２とを有する。第１等位相面５１及び第２等位相面５２の各々は周期Ｔを有する。光渦ＶＴの軌道角運動量は、「＋２」である。

図７（ｃ）は、図７（ａ）に示す位相差を反転したときの位相差を示す図である。図７（ｃ）では、理解の容易のため、位相差は、円周方向ＣＤに互いに隣り合う２つのビームＢｎ間の位相差を示している。図７（ｄ）は、図７（ｃ）に示す位相差を有する６本のビームＢｎに基づく光渦ＶＴＲを示す斜視図である。

図７（ｃ）に示すように、位相差付与部７が、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、基準としてのビームＢ６を除いて、他のビームＢ５〜Ｂ１の各々に、円周方向ＣＤの時計回りに位相差「＋π／３」を付与する。その結果、図７（ａ）に示す位相差が反転される。つまり、位相差付与部７は、円周方向ＣＤに並んだ６本のビームＢ１〜Ｂ６において、位相差の変化の方向を反転することで、図７（ａ）に示す位相差を反転する。その結果、スポットペアＳＰが、例えば時計回りに回転して（図３（ａ）〜図３（ｅ）に示す回転方向の逆方向）、図７（ｄ）に示すように、光渦ＶＴＲが発生する。スポットペアＳＰの回転方向が反転しているため、光渦ＶＴＲの回転方向は、図７（ｂ）に示す光渦ＶＴの回転方向に対して反転している。つまり、光渦ＶＴＲは、光渦ＶＴＲの進行方向Ｄに向かって時計回りに回転している。

なお、１つの光渦ＶＴＲは、スポットＰ１の回転に対応した螺旋状の第１等位相面６１と、スポットＰ２の回転に対応した螺旋状の第２等位相面６２とを有する。第１等位相面６１及び第２等位相面６２の各々は周期Ｔを有する。光渦ＶＴＲの軌道角運動量は、「−２」である。

図８（ａ）は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうちの３本のビームＢ３、Ｂ５、Ｂ６に付与される位相差を示す図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す位相差を反転したときの位相差の例を示す図である。図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す位相差を反転したときの位相差の他の例を示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）では、位相差の各々は、位相差の付与されない基準のビームＢ１に対する位相差を示す。図８（ｃ）では、位相差の各々は、位相差の付与されない基準のビームＢ２に対する位相差を示す。

図８（ａ）に示すように、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、互いに対向するビームＢ３とビームＢ６との各々に位相差「＋π／３」を付与するとともに、他の４本のビームＢ１、Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５のうちの１つのビームＢ５に位相差「＋π／３」を付与する。その結果、干渉パターンＰＴＤに含まれるスポットペアＳＰが、例えば反時計回りに回転して（図３（ａ）〜図３（ｅ））、図７（ｂ）に示す光渦ＶＴが発生する。この点は、図５（ｂ）を参照して説明した実施形態１と同様である。

図８（ｂ）に示すように、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、互いに対向するビームＢ３とビームＢ６との各々に位相差「−π／３」を付与するとともに、他の４本のビームＢ１、Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５のうちの１つのビームＢ５に位相差「−π／３」を付与する。つまり、位相差付与部７は、２以上のビームＢｎに付与する位相差の符号を反転することで、図８（ａ）に示す位相差を反転する。その結果、スポットペアＳＰが、例えば時計回りに回転して（図３（ａ）〜図３（ｅ）に示す回転方向の逆方向）、図７（ｄ）に示す光渦ＶＴＲが発生する。光渦ＶＴＲの回転方向は、図７（ｂ）に示す光渦ＶＴの回転方向に対して反転している。

図８（ｃ）に示すように、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、互いに対向するビームＢ３とビームＢ６との各々に位相差「＋π／３」を付与するとともに、他の４本のビームＢ１、Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５のうちの１つのビームＢ１に位相差「＋π／３」を付与する。つまり、位相差付与部７は、円周方向ＣＤに並んだ複数のビームＢｎにおいて、位相差の変化の方向を反転することで、図８（ａ）に示す位相差を反転する。その結果、スポットペアＳＰが、例えば時計回りに回転して（図３（ａ）〜図３（ｅ）に示す回転方向の逆方向）、図７（ｄ）に示す光渦ＶＴＲが発生する。光渦ＶＴＲの回転方向は、図７（ｂ）に示す光渦ＶＴの回転方向に対して反転している。

以上、図７（ａ）〜図８（ｃ）を参照して説明したように、実施形態２では、位相差付与部７は、干渉パターンＰＴＤに含まれるスポットペアＳＰ又はスポットＰ（図３（ａ）〜図３（ｅ））の回転方向が反転するように、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。その結果、光渦の回転方向を反転させることができる。

（実施形態３）
図９及び図１０を参照して、本発明の実施形態３に係る光渦発生装置１００Ａ及び光渦発生方法を説明する。実施形態３に係る光渦発生装置１００Ａが複数のビームＢｎを調節する調節部２０を備える点で、実施形態３は実施形態１と主に異なる。以下、実施形態３が実施形態１と異なる点を主に説明する。

図９は、実施形態３に係る光渦発生装置１００Ａを示す図である。図９に示すように、光渦発生装置１００Ａは、図１を参照して説明した光渦発生装置１００の構成に加えて、調節部２０をさらに備える。集光レンズ９の出射した複数のビームＢｎは、調節部２０に入射する。調節部２０は、複数のビームＢｎを調節してターゲットＴＡに照射する。

具体的には、調節部２０は、複数のビームＢｎを調節して、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中における複数のビームＢｎに基づく複数の光渦ＶＴの発生する領域の大きさを調節する。つまり、調節部２０は、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中における各ビームＢｎの径を調節する。例えば、各ビームＢｎの径が大きい程、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中において、複数の光渦ＶＴの発生する領域の大きさが大きくなる。

調節部２０は、複数のビームＢｎを調節して、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中における複数の光渦ＶＴの間隔を調節する。例えば、各ビームＢｎの入射角θｎ（図４（ａ））が大きい程、複数の光渦ＶＴの間隔が狭くなる。

調節部２０は、複数のビームＢｎを調節して、複数の光渦ＶＴの発生する位置を調節する。つまり、調節部２０は、光路中で発生した複数の光渦ＶＴをターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に転送する。実施形態３では、調節部２０は、光路中の特定位置ＲＰで発生した複数の光渦ＶＴをターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に転送する。例えば、調節部２０における各ビームＢｎの光路が長い程、複数の光渦ＶＴを遠くに転送できる。特定位置ＲＰは、集光レンズ９の焦点距離ｄ１に対応する位置を示す。

以上、図９を参照して説明したように、実施形態３によれば、調節部２０は、複数の光渦ＶＴの発生する領域の大きさと、複数の光渦ＶＴの間隔と、複数の光渦ＶＴの発生する位置とのうちの少なくとも１つを調節する。つまり、複数の光渦ＶＴの形態を自在に調節できる。その結果、複数の光渦ＶＴの産業分野への適用範囲を更に拡張できる。

具体的には、調節部２０は、コリメートレンズ２１と、位相差付与部２２と、集光レンズ２３とを含む。コリメートレンズ２１は、集光レンズ９の出射した複数のビームＢｎをコリメートする。コリメートされた複数のビームＢｎは位相差付与部２２に入射する。コリメートレンズ２１は、例えば、凸レンズである。

位相差付与部２２は、複数のビームＢｎのうち、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。位相差の付与された２以上のビームＢｎを含む複数のビームＢｎは、集光レンズ２３に入射する。位相差付与部２２の構成は、位相差付与部７の構成と同様である。位相差付与部７に加えて位相差付与部２２を設けることで、２以上のビームＢｎに更に精度良く位相差を付与できる。なお、調節部２０は位相差付与部２２を含まなくてもよい。また、光渦発生装置１００Ａは、位相差付与部７を備えなくてもよい。この場合は、位相差付与部２２だけで、複数のビームＢｎのうち、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。

集光レンズ２３は、複数のビームＢｎをターゲットＴＡに照射する。従って、集光レンズ２３は対物レンズとして機能する。集光レンズ２３は「照射部」の一例に相当する。集光レンズ２３は、例えば、凸レンズである。集光レンズ２３を通過した複数のビームＢｎは、互いに異なる方向からターゲットＴＡに入射して、複数のビームＢｎが干渉する。その結果、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に複数の光渦（具体的には多数の光渦）が発生する。

なお、集光レンズ２３は、ターゲットＴＡの側に焦点距離ｄ５を有し、コリメートレンズ２１の側に焦点距離ｄ６を有する。焦点距離ｄ５と焦点距離ｄ６とは略同一である。一方、コリメートレンズ２１は、集光レンズ２３の側に焦点距離ｄ７を有し、集光レンズ９の側に焦点距離ｄ８を有する。焦点距離ｄ７と焦点距離ｄ８とは略同一である。そして、集光レンズ２３の焦点距離ｄ６に位置する焦点面が、コリメートレンズ２１の焦点距離ｄ７に位置する焦点面と略一致することが好ましい。この好ましい例では、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中で複数のビームＢｎを高精度で重ねることができ、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中で複数のビームＢｎを効果的に干渉させることができる。その結果、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に複数の光渦（具体的には多数の光渦）を効果的に発生できる。

例えば、集光レンズ２３の焦点距離ｄ５（＝焦点距離ｄ６）を短くする程、各ビームＢｎの入射角θｎが大きくなって、複数の光渦ＶＴの間隔が狭くなる。例えば、コリメートレンズ２１の焦点距離ｄ７（＝焦点距離ｄ８）を長くする程、各ビームＢｎの入射角θｎが大きくなって、複数の光渦ＶＴの間隔が狭くなる。例えば、集光レンズ２３の焦点距離ｄ５（＝焦点距離ｄ６）とコリメートレンズ２１の焦点距離ｄ７（＝焦点距離ｄ８）を略同一にすると、特定位置ＲＰで発生した複数の光渦ＶＴの間隔を維持したまま、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に複数の光渦ＶＴを発生できる。つまり、特定位置ＲＰで発生した複数の光渦ＶＴの間隔を維持したまま、ターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に複数の光渦ＶＴを転送できる。

なお、例えば、集光レンズ２３の焦点距離ｄ５（＝焦点距離ｄ６）及び集光レンズ９の焦点距離ｄ１（＝焦点距離ｄ２）の各々を短くする程、各ビームＢｎの入射角θｎが大きくなって、複数の光渦ＶＴの間隔が狭くなる。例えば、コリメートレンズ２１の焦点距離ｄ７（＝焦点距離ｄ８）及びコリメートレンズ５の焦点距離ｄ３（＝焦点距離ｄ４）の各々を長くする程、各ビームＢｎの入射角θｎが大きくなって、複数の光渦ＶＴの間隔が狭くなる。

また、光渦発生装置１００Ａは、複数の調節部２０を備えていてもよい。複数の調節部２０は、例えば、直列に配列される。

次に、図９及び図１０を参照して、実施形態３に係る光渦発生方法を説明する。図１０は、光渦発生方法を示すフローチャートである。光渦発生方法は光渦発生装置１００Ａによって実行される。図１０に示すように、光渦発生方法は、工程Ｓ２１〜工程Ｓ２９を含む。工程Ｓ２１及び工程Ｓ２３は、それぞれ、図６を参照して説明した工程Ｓ１及び工程Ｓ３と同様であり、説明を適宜省略する。

図９及び図１０に示すように、工程Ｓ２１において、マルチビーム生成部３は、複数のビームＢｎ（例えば、６本のビームＢｎ）を生成する。

工程Ｓ２３において、位相差付与部７は、複数のビームＢｎのうち、２以上のビームＢｎに位相差を付与する。

工程Ｓ２５において、集光レンズ９は、位相差の付与された２以上のビームＢｎを含む複数のビームＢｎを特定位置ＲＰに集光して、特定位置ＲＰに複数の光渦ＶＴを発生する。

工程Ｓ２７において、調節部２０は、複数のビームＢｎを調節する。具体的には、工程Ｓ２５では、調節部２０は、複数のビームＢｎを調節して、複数の光渦ＶＴの発生する領域の大きさと、複数の光渦ＶＴの間隔と、複数の光渦ＶＴの発生する位置とのうちの少なくとも１つを調節する。工程Ｓ２７は、工程Ｓ２３と工程Ｓ２９との間で実行される。具体的には、工程Ｓ２７は、工程Ｓ２５と工程Ｓ２９との間で実行される。

工程Ｓ２９において、調節部２０は、調節した複数のビームＢｎを、ターゲットＴＡに照射する。その結果、複数の光渦ＶＴがターゲットＴＡ上又はターゲットＴＡ中に発生する。

なお、干渉パターンＰＴＤに含まれる複数のスポットＰが、それぞれ、複数の回転中心ＲＣの回りを回転する限りにおいては、複数のビームＢｎの本数は、６本に限定されない。

次に、本発明が実施例に基づき具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例によって限定されない。なお、図１１（ａ）〜図１７（ｌ）では、黒色から白色までの濃淡によって光強度を表している。白色に近い程、光強度が強いことを示している。

本発明の実施例１〜実施例３では、図１を参照して説明した光渦発生装置１００を想定して、光渦の発生をシミュレーションした。また、図４（ａ）に示すように、三次元直交座標系を設定した。

式（１）を演算して、複数のビームＢｎが干渉する場合の光強度Ｉ（ｘ、ｙ、ｚ）を算出した。ｘ、ｙ、及びｚは、それぞれ、Ｘ座標、Ｙ座標、及びＺ座標を示した。光強度Ｉ（ｘ、ｙ、ｚ）の空間分布は、複数のビームＢｎの干渉パターンを表した。

…（１）

式（１）において、「Ｅｎ」は、ビームＢｎの電界強度を示した。「Ｎ」はビームＢｎの本数を示した。「α」は、ビームＢｎの入射角θｎを表した。複数のビームＢｎの入射角θｎは等しかった。「Ψｎ」は、絶対方位角を示した。絶対方位角は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、ビームＢ１を基準としたビームＢｎの方位角を示した。従って、ビームＢ１の絶対方位角Ψ１はゼロであった。「βｎ」は、ビームＢｎの位相差を示した。位相差は基準のビームＢ１に対する位相差を示した。従って、基準のビームＢ１の位相差β１はゼロに設定された。また、基準のビームＢ１に対して位相差がない場合、つまり、基準のビームＢ１と同じ位相を有するビームＢｎの位相差βｎもゼロに設定された。「ｔ」は時間を示した。

式（１）の「Ｅｎ」は、式（２）によって表された。式（２）において、「Ｅ０ｎ」は、ビームＢｎの強度の平方根に比例する電界振幅を示した。「ｋ」は、ビームＢｎの波数を示した。「ω」は、ビームＢｎの角周波数を示した。

…（２）

（実施例１）
図１１（ａ）〜図１３（ｌ）を参照して、本発明の実施例１及び比較例を説明する。実施例１では、Ｎ＝６であり、式（１）に従って、６本のビームＢ１〜Ｂ６が干渉するシミュレーションを実行した。入射角αは２０度であった。ビームＢ１〜Ｂ６の各々の波長は、７８５ｎｍであった。絶対方位角は、Ψ１＝０度、Ψ２＝６０度、Ψ３＝１２０度、Ψ４＝１８０度、Ψ５＝２４０度、Ψ６＝３００度、であった。

図１１（ａ）は、実施例１に係る干渉パターンＰＴを示す図である。図１１（ｂ）は、実施例１に係る６本のビームＢ１〜Ｂ６に付与された位相差を示す図である。図１２は、比較例に係る一般的な光渦を示す図である。

実施例１では、図１１（ｂ）に示すように、基準のビームＢ１に対する位相差として、ビームＢ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６に、それぞれ、位相差「＋π／３」、「＋２π／３」、「＋３π／３」、「＋４π／３」、「＋５π／３」を付与した。なお、実施例１の位相差は図５（ａ）に示す位相差と同じであった。

図１１（ａ）に示すように、干渉パターンＰＴは、三角格子状に配列した多数の光渦ＶＴを含んでいた。光渦ＶＴの各々は、図１２に示す一般的な光渦と同様の光強度を有し、特異点ＳＧを有していた。光渦ＶＴの外径は、略六角形状であった。干渉パターンＰＴは、式（１）を用いて、ビームＢｎの１周期Ｔだけ電界強度Ｅｎの２乗を積分することで算出された。具体的には、１ｃｍ×１ｃｍの矩形領域には、約１６００万個の光渦ＶＴを確認できた。なお、図１１（ａ）では、多数の光渦ＶＴのうちの一部の光渦ＶＴが示されている。

次に、干渉パターンＰＴの１周期Ｔ内の時間変化をシミュレーションした。具体的には、１周期Ｔを１２分割して、複数の干渉パターンＰＴＤを算出した。干渉パターンＰＴＤの各々は、式（１）を用いて、時間γ（＝Ｔ／１２）だけ電界強度Ｅｎの２乗を積分することで算出された。

図１３（ａ）〜図１３（ｌ）は、時間γごとの干渉パターンＰＴＤの時間変化を示す図である。時間は、図１３（ａ）から図１３（ｌ）に向かって進んでいた。

図１３（ａ）〜図１３（ｌ）に示すように、１周期Ｔの間に、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣの回りに３６０度回転した。回転方向は反時計回りであった。

具体的には、図１３（ａ）〜図１３（ｇ）に示すように、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣを中心として、反時計回りに１８０度回転した。さらに、図１３（ｇ）〜図１３（ｌ）及び図１３（ａ）に示すように、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣを中心として、反時計回りに１８０度更に回転した。従って、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々が、ビームＢｎの１周期Ｔで一回転したことを確認できた。その結果、図１１（ａ）に示す光渦ＶＴの各々が、一般的な光渦（図１２）と同様に、螺旋状の等位相面を有していることが推定できた。

（実施例２）
図１４（ａ）〜図１５（ｌ）を参照して、本発明の実施例２を説明する。実施例２では、Ｎ＝６であり、式（１）に従って、６本のビームＢ１〜Ｂ６が干渉するシミュレーションを実行した。その他、実施例２に係るビームＢ１〜Ｂ６の条件は、位相差を除いて、実施例１に係るビームＢ１〜Ｂ６の条件と同じである。

図１４（ａ）は、実施例２に係る干渉パターンＰＴを示す図である。図１４（ｂ）は、実施例２に係る６本のビームＢ１〜Ｂ６に付与された位相差を示す図である。

実施例２では、図１４（ｂ）に示すように、位相差付与部７は、６本のビームＢ１〜Ｂ６のうち、互いに対向するビームＢ３とビームＢ６との各々に位相差「＋π／３」を付与するとともに、他の４本のビームＢ１、Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５のうちの１つのビームＢ５に位相差「＋π／３」を付与した。なお、実施例２の位相差は図５（ｂ）に示す位相差と同じであった。

図１４（ａ）に示すように、干渉パターンＰＴは、三角格子状に配列した多数の光渦ＶＴを含んでいた。光渦ＶＴの各々は、図１２に示す一般的な光渦と同様の光強度を有し、特異点ＳＧを有していた。光渦ＶＴの外径は、略三角形状であった。干渉パターンＰＴは、式（１）を用いて、ビームＢｎの１周期Ｔだけ電界強度Ｅｎの２乗を積分することで算出された。具体的には、１ｃｍ×１ｃｍの矩形領域には、約１６００万個の光渦ＶＴを確認できた。なお、図１４（ａ）では、多数の光渦ＶＴのうちの一部の光渦ＶＴが示されている。

次に、干渉パターンＰＴの１周期Ｔ内の時間変化をシミュレーションした。具体的には、１周期Ｔを１２分割して、複数の干渉パターンＰＴＤを算出した。干渉パターンＰＴＤの各々は、式（１）を用いて、時間γ（＝Ｔ／１２）だけ電界強度Ｅｎの２乗を積分することで算出された。

図１５（ａ）〜図１５（ｌ）は、時間γごとの干渉パターンＰＴＤの時間変化を示す図である。時間は、図１５（ａ）から図１５（ｌ）に向かって進んでいた。

図１５（ａ）〜図１５（ｌ）に示すように、１周期Ｔの間に、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣの回りに３６０度回転した。回転方向は反時計回りであった。

具体的には、図１５（ａ）〜図１５（ｇ）に示すように、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣを中心として、反時計回りに１８０度回転した。さらに、図１５（ｇ）〜図１５（ｌ）及び図１５（ａ）に示すように、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣを中心として、反時計回りに１８０度更に回転した。従って、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々が、ビームＢｎの１周期Ｔで一回転したことを確認できた。その結果、図１４（ａ）に示す光渦ＶＴの各々が、一般的な光渦（図１２）と同様に、螺旋状の等位相面を有していることが推定できた。

（実施例３）
図１６（ａ）〜図１７（ｌ）を参照して、本発明の実施例３を説明する。実施例３では、Ｎ＝４であり、式（１）に従って、４本のビームＢ１〜Ｂ４が干渉するシミュレーションを実行した。入射角αは２０度であった。ビームＢ１〜Ｂ４の各々の波長は、７８５ｎｍであった。絶対方位角は、Ψ１＝０度、Ψ２＝９０度、Ψ３＝１８０度、Ψ４＝２７０度、であった。

図１６（ａ）は、実施例３に係る干渉パターンＰＴを示す図である。図１６（ｂ）は、実施例３に係る４本のビームＢ１〜Ｂ４に付与された位相差を示す図である。

実施例３では、図１６（ｂ）に示すように、基準のビームＢ１に対する位相差として、ビームＢ２、Ｂ３、Ｂ４に、それぞれ、位相差「＋π／２」、「＋２π／２」、「＋３π／２」を付与した。なお、所定値Ｊは「＋π／２」であった。ビームＢ２、Ｂ３、Ｂ４の位相差に対するＭの値は、それぞれ、１、２、３、であった。

図１６（ａ）に示すように、干渉パターンＰＴは、四角格子状に配列した多数の光渦ＶＴを含んでいた。光渦ＶＴの各々は、図１２に示す一般的な光渦とは若干強度分布が異なるが、特異点ＳＧを有していた。干渉パターンＰＴは、式（１）を用いて、ビームＢｎの１周期Ｔだけ電界強度Ｅｎの２乗を積分することで算出された。なお、図１６（ａ）では、多数の光渦ＶＴのうちの一部の光渦ＶＴが示されている。

次に、干渉パターンＰＴの１周期Ｔ内の時間変化をシミュレーションした。具体的には、１周期Ｔを１２分割して、複数の干渉パターンＰＴＤを算出した。干渉パターンＰＴＤの各々は、式（１）を用いて、時間γ（＝Ｔ／１２）だけ電界強度Ｅｎの２乗を積分することで算出された。

図１７（ａ）〜図１７（ｌ）は、時間γごとの干渉パターンＰＴＤの時間変化を示す図である。時間は、図１７（ａ）から図１７（ｌ）に向かって進んでいた。

図１７（ａ）〜図１７（ｌ）に示すように、１周期Ｔの間に、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣの回りに３６０度回転した。回転方向は時計回りであった。

具体的には、図１７（ａ）〜図１７（ｇ）に示すように、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣを中心として、反時計回りに１８０度回転した。さらに、図１７（ｇ）〜図１７（ｌ）及び図１７（ａ）に示すように、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々は、回転中心ＲＣを中心として、反時計回りに１８０度更に回転した。従って、スポットＰ１及びスポットＰ２の各々が、ビームＢｎの１周期Ｔで一回転したことを確認できた。その結果、図１６（ａ）に示す光渦ＶＴの各々が、一般的な光渦（図１２）と同様に、螺旋状の等位相面を有していることが推定できた。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明した。但し、本発明は、上記の実施形態及び実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚み、長さ、個数、間隔等は、図面作成の都合上から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素の材質、形状、寸法等は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明は、光渦発生方法及び光渦発生装置を提供するものであり、産業上の利用可能性を有する。

１ レーザー発振器
３ マルチビーム生成部
５ コリメートレンズ
７、２２ 位相差付与部
９、２３ 集光レンズ（照射部）
１００、１００Ａ 光渦発生装置

Claims (7)

1. 複数のビームを生成する工程と、
   前記複数のビームのうち、２以上のビームに位相差を付与する工程と、
   前記位相差の付与された前記２以上のビームを含む前記複数のビームを、ターゲットに照射する工程と
   を含み、
   照射する前記工程では、前記複数のビームは、互いに異なる方向から前記ターゲットに入射して、前記複数のビームが干渉し、
   前記複数のビームの干渉パターンは、複数のスポットを含み、
   付与する前記工程では、前記複数のスポットが、それぞれ、複数の回転中心の回りを回転するように、前記２以上のビームに前記位相差を付与し、
   前記スポットは、前記回転中心の位置する部分よりも光強度の強い部分を示す、光渦発生方法。
2. 前記複数のビームにおいて、互いに隣り合うビーム間の角度は、実質的に等しく、
   前記ターゲットへの前記複数のビームの入射角は、実質的に等しい、請求項１に記載の光渦発生方法。
3. 前記２以上のビームに付与される前記位相差の各々は、前記複数のビームのうち前記２以上のビームと異なるビームを基準としたときの位相差を示し、所定値のＭ倍（Ｍは１以上の整数）であり、
   前記２以上のビームに付与される前記位相差に対してそれぞれ前記Ｍの値が設定されている、請求項１又は請求項２に記載の光渦発生方法。
4. 前記複数のビームは、６本のビームであり、
   前記所定値は、π／３ラジアン、又は、−π／３ラジアンである、請求項３に記載の光渦発生方法。
5. 照射する前記工程では、前記複数のビームの干渉によって三角格子状に配列される複数の光渦を形成する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光渦発生方法。
6. 付与する前記工程と照射する前記工程との間で実行され、前記複数のビームを調節する工程をさらに含み、
   調節する前記工程では、前記複数のビームを調節して、前記複数のビームに基づく複数の光渦の発生する領域の大きさと、前記複数の光渦の間隔と、前記複数の光渦の発生する位置とのうちの少なくとも１つを調節する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光渦発生方法。
7. 複数のビームを生成するマルチビーム生成部と、
   前記複数のビームのうち、２以上のビームに位相差を付与する位相差付与部と、
   前記位相差の付与された前記２以上のビームを含む前記複数のビームを、ターゲットに照射する照射部と
   を備え、
   前記複数のビームは、互いに異なる方向から前記ターゲットに入射して、前記複数のビームが干渉し、
   前記複数のビームの干渉パターンは、複数のスポットを含み、
   前記位相差付与部は、前記複数のスポットが、それぞれ、複数の回転中心の回りを回転するように、前記２以上のビームに前記位相差を付与し、
   前記スポットは、前記回転中心の位置する部分よりも光強度の強い部分を示す、光渦発生装置。