JP5207257B2 - Vortex generator and vortex generator method - Google Patents
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Description
本発明は、ベクトル渦を発生する渦発生装置及び渦発生方法に関する。 The present invention relates to a vortex generating apparatus and a vortex generating method for generating a vector vortex.
空間的に対称性を有した偏光分布をもつ光であるベクトル渦が従来から知られている。ベクトル渦でありながら軌道角運動量を持つ渦（ここでは光渦と呼ぶ）についても、近年研究が進められている。 A vector vortex, which is light having a spatially symmetric polarization distribution, is conventionally known. In recent years, research on vortices that are vector vortices and have orbital angular momentum (referred to here as optical vortices) has also been conducted.
ところで、従来から、レーザを微小物体に集光照射して微小物体を非接触で把持し移動させる光ピンセット（レーザートラッピング）技術が知られている（例えば特開平０５−０８８１０７号公報参照）。近年、等位相面が螺旋構造をなしており、軌道角運動量を持つ光（光渦）が、光ピンセット技術に応用できるということで注目されており、この光渦を簡単な構成で安定して発生することが可能な光渦発生装置が望まれている。 Conventionally, there has been known an optical tweezers (laser trapping) technique in which a minute object is focused and irradiated on a minute object to grip and move the minute object in a non-contact manner (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 05-088107). In recent years, the equiphase surface has a spiral structure, and light (optical vortex) with orbital angular momentum has attracted attention because it can be applied to optical tweezer technology. An optical vortex generator capable of being generated is desired.
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能な渦発生装置及び渦発生方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a vortex generator capable of stably generating a vector vortex having an orbital angular momentum with a simple configuration and It is to provide a vortex generation method.
（１）本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
それぞれ放射状に偏光軸をもつ偏光子である第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／４波長板、前記１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする。
(1) The present invention is a vortex generator that generates a vector vortex having an orbital angular momentum,
First and second axisymmetric polarizers each having a radial polarization axis, first and second quarter-wave plates, and half-wave plates,
Predetermined light is incident on the first axisymmetric polarizer, and light transmitted through the first axisymmetric polarizer is converted into the first quarter-wave plate, the half-wave plate, and the first It is configured to enter the second axially symmetric polarizer through a two-quarter wavelength plate and emit a vector vortex from the second axially symmetric polarizer.
本発明によれば、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能な渦発生装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vortex generator which can generate | occur | produce the vector vortex which has an orbital angular momentum stably with a simple structure can be provided.
（２）また本発明に係る渦発生装置では、
前記１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする。(2) In the vortex generator according to the present invention,
The half-wave plate is configured to be rotatable.
本発明によれば、１／２波長板を回転させて、１／２波長板の主軸方位を変えることにより、ベクトル渦の軌道角運動量を制御することができる。 According to the present invention, the orbital angular momentum of the vector vortex can be controlled by rotating the half-wave plate and changing the principal axis orientation of the half-wave plate.
（３）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
それぞれ放射状に偏光軸をもつ偏光子である第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、第１及び第２の１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第1の１／２波長板、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする。
(3) Moreover, this invention is a vortex generator which generates the vector vortex which has an orbital angular momentum,
First and second axisymmetric polarizers each being a polarizer having a radial polarization axis, first and second quarter-wave plates, and first and second half-wave plates ,
Predetermined light is incident on the first axisymmetric polarizer, and light transmitted through the first axisymmetric polarizer is converted into the first half-wave plate, the first quarter-wave plate, The light is incident on the second axisymmetric polarizer through the second half-wave plate and the second quarter-wave plate, and a vector vortex is emitted from the second axisymmetric polarizer. It is comprised by this.
本発明によれば、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能であり、ベクトル渦の等位相面を回転させることが可能な渦発生装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a vortex generator capable of stably generating a vector vortex having an orbital angular momentum with a simple configuration and capable of rotating an equiphase surface of the vector vortex. it can.
（４）また本発明に係る渦発生装置では、
前記第１及び第２の１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする。(4) In the vortex generator according to the present invention,
The first and second half-wave plates are configured to be rotatable.
本発明によれば、第１の１／２波長板を回転させることにより、ベクトル渦の等位相面を回転させることができる。 According to the present invention, the equiphase surface of the vector vortex can be rotated by rotating the first half-wave plate.
また本発明によれば、第２の１／２波長板を回転させて、第２の１／２波長板の主軸方位を変えることにより、ベクトル渦の軌道角運動量を制御することができる。 Further, according to the present invention, the orbital angular momentum of the vector vortex can be controlled by rotating the second half-wave plate and changing the principal axis orientation of the second half-wave plate.
（５）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
放射状に偏光軸をもつ偏光子である第１の軸対称偏光子に所定の光を入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／４波長板、１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して、放射状に偏光軸をもつ偏光子である第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする。
( 5 ) The present invention is also a vortex generation method for generating a vector vortex having an orbital angular momentum,
Making predetermined light incident on a first axially symmetric polarizer that is a polarizer having a polarization axis radially ;
The light transmitted through the first axially symmetric polarizer, a first quarter-wave plate, 1/2-wavelength plate, and through the second quarter-wave plate, a polarizer having a polarization axis in a radial And entering a second axisymmetric polarizer, and emitting a vector vortex from the second axisymmetric polarizer.
本発明によれば、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能な渦発生方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vortex generating method which can generate | occur | produce the vector vortex which has an orbital angular momentum stably with a simple structure can be provided.
（６）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
放射状に偏光軸をもつ偏光子である第１の軸対称偏光子に所定の光を入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／２波長板、第１の１／４波長板、第２の１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して、放射状に偏光軸をもつ偏光子である第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする。
( 6 ) The present invention is also a vortex generation method for generating a vector vortex having an orbital angular momentum,
Making predetermined light incident on a first axially symmetric polarizer that is a polarizer having a polarization axis radially ;
The light transmitted through the first axisymmetric polarizer is converted into a first half-wave plate, a first quarter-wave plate, a second half-wave plate, and a second quarter-wave plate. And entering a second axially symmetric polarizer that is a polarizer having a polarization axis radially, and emitting a vector vortex from the second axially symmetric polarizer.
本発明によれば、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能であり、ベクトル渦の等位相面を回転させることが可能な渦発生方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to stably generate a vector vortex having an orbital angular momentum with a simple configuration, and to provide a vortex generation method capable of rotating an equiphase surface of a vector vortex. it can.
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。 Hereinafter, this embodiment will be described. In addition, this embodiment demonstrated below does not unduly limit the content of this invention described in the claim. In addition, all the configurations described in the present embodiment are not necessarily essential configuration requirements of the present invention.
１．位相シフタを用いた渦発生装置の構成
図１は、本実施形態における位相シフタを用いた渦発生装置の光学系の模式図である。1. Configuration of Vortex Generator Using Phase Shifter FIG. 1 is a schematic diagram of an optical system of a vortex generator using a phase shifter in this embodiment.
本実施形態の渦発生装置の光学系１０は、光源１２と、ラジアル偏光子２０（第１の軸対称偏光子）と、第１の１／４波長板３２と、１／２波長板３４と、第２の１／４波長板３６と、ラジアル検光子２２（第２の軸対称偏光子）とを含む。これらの光学素子は、光源１２から出射された光をラジアル偏光子２０に入射させ、ラジアル偏光子２０を透過した光を第１の１／４波長板３２、１／２波長板３４、第２の１／４波長板３６を介してラジアル検光子２２に入射させるように配置されている。以下、それぞれについて説明する。 The optical system 10 of the vortex generator according to the present embodiment includes a light source 12, a radial polarizer 20 (first axisymmetric polarizer), a first quarter-wave plate 32, and a half-wave plate 34. , A second quarter-wave plate 36 and a radial analyzer 22 (second axisymmetric polarizer). These optical elements make the light emitted from the light source 12 incident on the radial polarizer 20, and transmit the light transmitted through the radial polarizer 20 to the first quarter-wave plate 32, the half-wave plate 34, and the second Are arranged so as to be incident on the radial analyzer 22 through the quarter-wave plate 36. Each will be described below.
光源１２は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ等からなり、所定波長の光を出射する。 The light source 12 includes, for example, a He—Ne laser or the like, and emits light having a predetermined wavelength.
ラジアル偏光子２０およびラジアル検光子２２は、図１に示すように放射状に偏光軸をもつ偏光子であり、入射された光をラジアル偏光とする偏光子である。ラジアル偏光子２０およびラジアル検光子２２は、軸対称の偏光子であればよく、例えば径偏光をもつ偏光子、方位偏光子でもよい。ラジアル偏光子２０に入射する光はランダム偏光又は円偏光を用いる。 As shown in FIG. 1, the radial polarizer 20 and the radial analyzer 22 are polarizers having a polarization axis radially, and are polarizers that make incident light a radial polarization. The radial polarizer 20 and the radial analyzer 22 may be axially symmetric polarizers, and may be, for example, a polarizer having radial polarization or an azimuth polarizer. The light incident on the radial polarizer 20 uses random polarization or circular polarization.
位相シフタ３０は、ラジアル偏光子２０を透過した光の位相（幾何学的位相）をシフトするものであり、第１の１／４波長板３２、１／２波長板３４、及び第２の１／４波長板３６の各光学素子から構成される。 The phase shifter 30 shifts the phase (geometric phase) of light transmitted through the radial polarizer 20, and includes a first quarter-wave plate 32, a half-wave plate 34, and a second 1 / 4 wavelength plate 36 is composed of each optical element.
第１の１／４波長板３２及び第２の１／４波長板３６は、その主軸方位が４５°に設置されている。また、第１の１／４波長板３２及び第２の１／４波長板３６は、その主軸方位の角度差が４５°の整数倍となるように設置されていてもよい。 The first quarter-wave plate 32 and the second quarter-wave plate 36 are installed such that their principal axis directions are 45 °. Further, the first quarter wavelength plate 32 and the second quarter wavelength plate 36 may be installed such that the angle difference between the principal axis directions is an integral multiple of 45 °.
１／２波長板３４は、回転可能に構成されており、回転することによってその主軸方位φを変えることができる。 The half-wave plate 34 is configured to be rotatable, and the principal axis direction φ can be changed by rotating.
説明を簡単にするために、偏光状態の変化をポアンカレ球を用いて図２に示す。 In order to simplify the explanation, the change of the polarization state is shown in FIG. 2 using a Poincare sphere.
ラジアル偏光子２０には円偏光又はランダム偏光が入射されラジアル偏光となるので、ラジアル偏光子２０を透過した光（ラジアル偏光）の偏光状態は、ストークスパラメータ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を直交座標とする図２のポアンカレ球の赤道ＥＱ上に分布する。Since circularly polarized light or random polarized light is incident on the radial polarizer 20 to become radial polarized light, the polarization state of the light that has passed through the radial polarizer 20 (radial polarized light) has Stokes parameters (S 1 , S 2 , S 3 ). It is distributed on the equator EQ of the Poincare sphere of FIG.
例えばラジアル偏光の方位θ＝０°の偏光状態についてみると、偏光状態は赤道ＥＱとＳ１軸が交わる点ＡＲＰに位置する。そして方位４５°に設置された第１の１／４波長板３２を透過することで、ポアンカレ球上のＳ１−Ｓ３平面を移動し、点ＡＲＰから北極に位置する点ＡＱへと偏光状態が変化する。続いて方位φ＝４５°とした１／２波長板３４を透過することで、北極に位置する点ＡＱから南極に位置する点ＡＨへと偏光状態が変化する。さらに第２の１／４波長板３６を透過することで、元の偏光状態ＡＲＰに戻る。すなわちラジアル偏光の方位θ＝０°の直線偏光は、第１の１／４波長板３２を透過することで右円偏光となり、方位φ＝４５°とした１／２波長板３４を透過することで左円偏光となり、第２の１／４波長板３６を透過することで元の直線偏光となる。For example, in the case of the polarization state of radial polarization azimuth θ = 0 °, the polarization state is located at a point A RP where the equator EQ and the S 1 axis intersect. Then, by passing through the first quarter wave plate 32 installed at an azimuth of 45 °, the plane moves on the S 1 -S 3 plane on the Poincare sphere, and moves from the point A RP to the point A Q located in the North Pole. The polarization state changes. Followed by passing through a half-wave plate 34 and the azimuth φ = 45 °, the polarization state is changed to the point A H located south pole from the point A Q located North Pole. Furthermore, by passing through the second quarter-wave plate 36, the original polarization state A RP is restored. That is, the linearly polarized light having the azimuth θ = 0 ° of the radial polarization becomes right circularly polarized light by passing through the first quarter wave plate 32 and is transmitted through the half wave plate 34 having the azimuth φ = 45 °. Becomes left circularly polarized light, and becomes the original linearly polarized light by transmitting through the second quarter-wave plate 36.
次にラジアル偏光の方位θ＝３０°についてみると、最初の偏光状態は赤道ＥＱ上の点ＢＲＰに位置する。その後方位４５°に設置された第１の１／４波長板３２を透過することで、点ＢＲＰから点ＢＱへと偏光状態が変化し、方位φ＝４５°とした１／２波長板３４を透過することで、点ＢＱから点ＢＨへと偏光状態が変化する。最終的に第２の１／４波長板３６を透過することで、元の偏光状態ＢＲＰに戻る。Then looking at the orientation theta = 30 ° of the radial polarization, the first polarization state is located at a point B RP on the equator EQ. Thereafter, by passing through the first quarter-wave plate 32 installed at an azimuth of 45 °, the polarization state changes from the point B RP to the point B Q , and the azimuth φ = 45 °. By passing through 34, the polarization state changes from point BQ to point BH . Finally, the light passes through the second quarter-wave plate 36 to return to the original polarization state BRP .
このようにラジアル偏光子２０を透過した光の偏光状態は、位相シフタ３０によってポアンカレ球上で循環的に変化する。このとき幾何学的位相が発生し、偏光状態のポアンカレ球上の循環的な変化によって囲まれた立体角の半分が発生する幾何学的位相となる。すなわちラジアル偏光の方位θ＝０°については、幾何学的位相ΩＡ（θ＝０°）＝πが発生し、ラジアル偏光の方位θについては、幾何学的位相ΩＢ（θ）＝π（１−ｓｉｎ２θ）が発生する。これがラジアル偏光の方位角９０°毎に発生することから、空間的には４πの幾何学的位相が発生する。１／２波長板３４の主軸方位φを変化させれば、それに従って発生する幾何学的位相も変化する。In this way, the polarization state of the light transmitted through the radial polarizer 20 is cyclically changed on the Poincare sphere by the phase shifter 30. At this time, a geometric phase is generated, which is a geometric phase in which half of the solid angle surrounded by the cyclic change on the Poincare sphere in the polarization state is generated. That is, the geometric phase Ω A (θ = 0 °) = π is generated for the radial polarization azimuth θ = 0 ° , and the geometric phase Ω B (θ) = π ( 1-sin2θ) occurs. Since this occurs at every 90 ° azimuth of radial polarization, a spatial phase of 4π is generated spatially. If the principal axis direction φ of the half-wave plate 34 is changed, the geometric phase generated accordingly also changes.
また位相シフタ３０を構成する各光学素子の波長依存性による位相誤差がわずかであるとき、ポアンカレ球上を描く偏光状態によって囲まれた面積（立体角）はほとんど変化しないことから、発生する幾何学的位相はアクロマティックな位相として近似する。すなわち位相シフタ３０によれば、入射される光の波長に依存せずに（アクロマティックに）幾何学的位相をシフトすることができる。 Further, when the phase error due to the wavelength dependence of each optical element constituting the phase shifter 30 is slight, the area (solid angle) surrounded by the polarization state drawn on the Poincare sphere hardly changes. The approximate phase is approximated as an achromatic phase. In other words, the phase shifter 30 can shift the geometric phase (achromatically) without depending on the wavelength of incident light.
再び図１を参照すると、ラジアル検光子２２は、出射側のラジアル偏光子であり、位相シフタ３０を透過した光が入射され、螺旋状の位相構造をもつベクトル渦（偏光と位相の特異点を有する渦）を出射する。 Referring to FIG. 1 again, the radial analyzer 22 is a radial polarizer on the output side, the light transmitted through the phase shifter 30 is incident, and a vector vortex having a helical phase structure (polarization and phase singularities are detected). Vortex).
ここで、ラジアル偏光の方位角をθ、１／２波長板３４の方位角をφ、振幅をＡ、ネイピア数をｅ、虚数をｉ、ｒ方向の単位ベクトルをｅｒ、ラジアル偏光の方位方向の単位ベクトルをｅθとすると、ベクトル渦の電場ベクトルＥｏｕｔは、次式で表すことができる。Here, the azimuth angle of the radial polarization is θ, the azimuth angle of the half-wave plate 34 is φ, the amplitude is A, the Napier number is e, the imaginary number is i, the unit vector in the r direction is er , and the azimuth direction of the radial polarization When the unit vector in the e theta, the electric field vector E out of the vector vortex can be expressed by the following equation.
図３は、本実施形態の渦発生装置のブロック図の一例である。 FIG. 3 is an example of a block diagram of the vortex generator of the present embodiment.
図３に示す例では、渦発生装置１の光学系１０は、光源１２と、円偏光子１４と、ラジアル偏光子２１と、位相シフタ３０を構成する第１及び第２の１／４波長板３３、３５と、第１の反射板４０（反射板）とを含む。これらの光学素子は、光源１２から出射された光を円偏光子１４に入射させ、円偏光子１４を透過した円偏光をラジアル偏光子２１に入射させ、ラジアル偏光子２１を透過した光を、第１の１／４波長板３３、第２の１／４波長板３５を介して第１の反射板４０（ミラー）に反射させ、第１の反射板４０に反射した光を第２の１／４波長板３５、第１の１／４波長板３３を介して再びラジアル偏光子２１に入射させ、ラジアル偏光子２１からベクトル渦を出射させるように配置されている。ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦の一部はビームスプリッタ１６（ハーフミラー）によって図中下向きに反射される。 In the example shown in FIG. 3, the optical system 10 of the vortex generator 1 includes a light source 12, a circular polarizer 14, a radial polarizer 21, and first and second quarter-wave plates that constitute a phase shifter 30. 33, 35 and a first reflecting plate 40 (reflecting plate). These optical elements cause the light emitted from the light source 12 to enter the circular polarizer 14, the circularly polarized light transmitted through the circular polarizer 14 to enter the radial polarizer 21, and the light transmitted through the radial polarizer 21 to The light reflected by the first reflecting plate 40 (mirror) via the first quarter-wave plate 33 and the second quarter-wave plate 35 and reflected by the first reflecting plate 40 is the second 1 The light is again incident on the radial polarizer 21 through the ¼ wavelength plate 35 and the first ¼ wavelength plate 33, and the vector vortex is emitted from the radial polarizer 21. Part of the vector vortex emitted from the radial polarizer 21 is reflected downward in the figure by the beam splitter 16 (half mirror).
第１の１／４波長板３３は、その主軸方位が４５°に設置されている。また第２の１／４波長板３５は、回転可能に構成されており、回転することによってその主軸方位φを変えることができる。 The first quarter-wave plate 33 has a principal axis direction set at 45 °. The second quarter-wave plate 35 is configured to be rotatable, and the principal axis direction φ can be changed by rotating.
図３に示す例では、第２の１／４波長板３５を透過した光を、第１の反射板４０を用いて再び第２の１／４波長板３５を透過させることにより、図１に示す１／２波長板３４を透過させる構成と等価な光学系を構成している。同様に第１の１／４波長板３３を透過した光を、第１の反射板４０を用いて再び第１の１／４波長板３３を透過させることにより、図１に示す第１及び第２の１／４波長板３２、３６を透過させる構成と等価な光学系を構成している。同様にラジアル偏光子２１を透過した光を、第１の反射板４０を用いて再びラジアル偏光子２１を透過させることにより、図１に示すラジアル偏光子２０、ラジアル検光子２２を透過させる構成と等価な光学系を構成している。このように構成することで渦発生装置を構成する光学素子の数を少なくすることができる。 In the example shown in FIG. 3, the light transmitted through the second quarter-wave plate 35 is transmitted again through the second quarter-wave plate 35 using the first reflection plate 40, so that FIG. The optical system equivalent to the structure which permeate | transmits the half-wave plate 34 shown is comprised. Similarly, the light transmitted through the first quarter-wave plate 33 is transmitted again through the first quarter-wave plate 33 using the first reflection plate 40, so that the first and first wavelength plates shown in FIG. An optical system equivalent to a configuration that transmits the two quarter-wave plates 32 and 36 is formed. Similarly, the light transmitted through the radial polarizer 21 is transmitted again through the radial polarizer 21 using the first reflector 40, thereby transmitting the radial polarizer 20 and the radial analyzer 22 shown in FIG. An equivalent optical system is configured. By comprising in this way, the number of the optical elements which comprise a vortex generator can be decreased.
なお、光源１２から出射され円偏光子１４を透過した光の一部は、ビームスプリッタ１６によって図中上向きに反射され、反射された光は偏光子４２を透過して直線偏光となる。この直線偏光（参照光）は第２の反射板４４に反射され、再び偏光子４２を透過して、ビームスプリッタ１６によって反射されたベクトル渦と干渉して、スクリーン４６を介して撮像部４８によって取り込まれる。 A part of the light emitted from the light source 12 and transmitted through the circular polarizer 14 is reflected upward in the figure by the beam splitter 16, and the reflected light passes through the polarizer 42 and becomes linearly polarized light. This linearly polarized light (reference light) is reflected by the second reflecting plate 44, passes through the polarizer 42 again, interferes with the vector vortex reflected by the beam splitter 16, and is captured by the imaging unit 48 via the screen 46. It is captured.
ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦を参照光と干渉させると、螺旋状の干渉縞が形成され、この干渉縞は撮像部４８によって観察することができる。 When the vector vortex emitted from the radial polarizer 21 interferes with the reference light, a helical interference fringe is formed, and this interference fringe can be observed by the imaging unit 48.
ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦は軌道角運動量をもち、例えばベクトル渦を集光して微小物体等の被制御物体に照射することで、ベクトル渦のもつ軌道角運動量により被制御物体を回転させることができる。 The vector vortex emitted from the radial polarizer 21 has an orbital angular momentum. For example, by converging the vector vortex and irradiating the controlled object such as a minute object, the controlled object is caused by the orbital angular momentum of the vector vortex. Can be rotated.
ここで第２の１／４波長板３５（図１に示す構成では１／２波長板３４）の主軸方位φを変えることによって、ベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを変化させることができる。例えば第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝４５°，１３５°としたときには、ベクトル渦のもつ軌道角運動量の量子数はｌ＝２となり、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝０°，９０°としたときには、ベクトル渦のもつ軌道角運動量の量子数はｌ＝４となる。 Here, the quantum number l of the orbital angular momentum of the vector vortex can be changed by changing the principal axis direction φ of the second quarter-wave plate 35 (in the configuration shown in FIG. 1, the half-wave plate 34). . For example, when the principal axis orientation of the second quarter-wave plate 35 is φ = 45 °, 135 °, the quantum number of the orbital angular momentum of the vector vortex is l = 2, and the second quarter-wave plate 35 Is set to φ = 0 ° and 90 °, the quantum number of the orbital angular momentum of the vector vortex is l = 4.
図６Ａは、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝４５°としたときに、ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦を撮像した画像であり、図６Ｂは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図６Ａをみると、ビームの中心部分が暗くなっており、ドーナッツ状の強度分布をもつ光渦であることが分かる。また、図６Ｂをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝２と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。なお、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝４５°としたときのベクトル渦の電場ベクトルＥｏｕｔは、式（１）より、FIG. 6A is an image obtained by imaging a vector vortex emitted from the radial polarizer 21 when the principal axis direction of the second quarter-wave plate 35 is φ = 45 °, and FIG. 6B shows this vector vortex. Is an image obtained by imaging interference fringes formed by interfering with the reference light. 6A, it can be seen that the central portion of the beam is dark and is a light vortex having a donut-like intensity distribution. 6B shows that spiral interference fringes having a number equal to the quantum number l = 2 of the orbital angular momentum are formed. The electric field vector E out of the vector vortex when the principal axis direction of the second quarter-wave plate 35 is φ = 45 ° is obtained from the equation (1):
となる。 It becomes.
図７Ａは、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝０°としたときに、ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦を撮像した画像であり、図７Ｂは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図７Ｂをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝４と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。なお、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝０°としたときのベクトル渦の電場ベクトルＥｏｕｔは、式（１）より、FIG. 7A is an image obtained by imaging the vector vortex emitted from the radial polarizer 21 when the principal axis direction of the second quarter-wave plate 35 is φ = 0 °, and FIG. 7B shows this vector vortex. Is an image obtained by imaging interference fringes formed by interfering with the reference light. FIG. 7B shows that spiral interference fringes having a number equal to the orbital angular momentum quantum number l = 4 are formed. The electric field vector E out of the vector vortex when the principal axis direction of the second quarter-wave plate 35 is φ = 0 ° is obtained from the equation (1):
となる。 It becomes.
渦発生装置１は、駆動部５０を更に含む。駆動部５０は、第２の１／４波長板３５を回転させ、その主軸方位φを変化させる。 The vortex generator 1 further includes a drive unit 50. The drive unit 50 rotates the second quarter-wave plate 35 to change the principal axis direction φ.
渦発生装置１は、制御部６０を更に含む。制御部６０は、駆動部５０を制御して第２の１／４波長板３５の主軸方位φを設定する。また制御部６０は、光源１２の発光動作を制御するようにしてもよい。 The vortex generator 1 further includes a control unit 60. The control unit 60 controls the drive unit 50 to set the main axis direction φ of the second quarter wavelength plate 35. The control unit 60 may control the light emission operation of the light source 12.
２．位相シフタを用いた渦発生装置を適用した物体制御装置の構成
図４は、本実施形態の渦発生装置を適用した物体制御装置のブロック図の一例である。2. Configuration of Object Control Device to which Vortex Generator Using Phase Shifter is Applied FIG. 4 is an example of a block diagram of an object control device to which the vortex generator of this embodiment is applied.
本実施形態の物体制御装置１００は、光学系１０と、対物レンズ７０と、微小物体７４（被制御物体）を載せたステージ７２とを含む。なお図４中、図３において示した構成と共通する構成には同符号を付し、その説明を省略する。 The object control apparatus 100 of this embodiment includes an optical system 10, an objective lens 70, and a stage 72 on which a minute object 74 (controlled object) is placed. In FIG. 4, the same reference numerals are given to the same components as those shown in FIG. 3, and the description thereof is omitted.
対物レンズ７０は、光学系１０から出射された軌道角運動量を持つベクトル渦を集光してステージ７２上の微小物体７４に照射する。これにより微小物体７４を把持しつつ微小物体７４の動作（回転）を制御することができる。また駆動部５０と制御部６０により１／４波長板３５の主軸方位φを変化させることで、ベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを変化させることができるため、微小物体７４の質量に応じてベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを制御したり、微小物体７４の回転速度を制御したりすることができる。 The objective lens 70 collects the vector vortex having the orbital angular momentum emitted from the optical system 10 and irradiates the minute object 74 on the stage 72. Thereby, it is possible to control the operation (rotation) of the minute object 74 while holding the minute object 74. Moreover, since the quantum number l of the orbital angular momentum of the vector vortex can be changed by changing the principal axis direction φ of the quarter-wave plate 35 by the drive unit 50 and the control unit 60, the mass number of the minute object 74 can be changed. Thus, the quantum number l of the orbital angular momentum of the vector vortex can be controlled, and the rotational speed of the minute object 74 can be controlled.
ステージ７２は、移動可能に構成されるようにしてもよい。これによりステージ７２内でのベクトル渦を照射する位置を制御することができ、また、把持した微小物体７４を移動させることができる。また制御部６０が、ステージ７２の移動を制御するようにしてもよい。 The stage 72 may be configured to be movable. Thereby, the position where the vector vortex is irradiated in the stage 72 can be controlled, and the grasped minute object 74 can be moved. Further, the control unit 60 may control the movement of the stage 72.
３．位相シフタを用いた渦発生装置の変形例
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。3. Modified Examples of Vortex Generator Using Phase Shifter The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
例えば、図1において、ラジアル偏光子２０と位相シフタ３０との間に、更に１／２波長板（第１の１／２波長板）を配置し、該１／２波長板を回転可能に構成するようにしてもよい。該１／２波長板を回転させることにより、ベクトル渦の等位相面を回転させることができる。 For example, in FIG. 1, a half-wave plate (first half-wave plate) is further disposed between the radial polarizer 20 and the phase shifter 30, and the half-wave plate can be rotated. You may make it do. By rotating the half-wave plate, the equiphase surface of the vector vortex can be rotated.
図５に、本発明の変形例を示す。なお図５において、図１〜図４において示した構成と共通する構成には同符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 5 shows a modification of the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals are given to the same components as those shown in FIGS. 1 to 4, and the description thereof is omitted.
本実施形態では、位相シフタ３０を透過した光をラジアル検光子２２（図３の例ではラジアル偏光子２１）に入射させる場合について説明したが、図５に示すように、位相シフタ３０を透過した光（螺旋状の位相構造をもつ光）をフレネルロム波長板２６に入射させるようにしてもよい。フレネルロム波長板２６は、１／４波長板と同様に直線偏光を円偏光に変換する光学素子であり、波長依存性が少ないことを特徴とする。図５に示す例では、位相シフタ３０を透過したラジアル偏光の各方位の直線偏光は、フレネルロム波長板２６を透過することによりそれぞれ円偏光になる。これによりフレネルロム波長板２６を透過したベクトル渦を参照光と干渉させたときに、より干渉縞のコントラストが高いベクトル渦を発生させることができる。 In the present embodiment, the case where the light transmitted through the phase shifter 30 is incident on the radial analyzer 22 (radial polarizer 21 in the example of FIG. 3) has been described. However, as illustrated in FIG. 5, the light transmitted through the phase shifter 30. Light (light having a spiral phase structure) may be incident on the Fresnel ROM wave plate 26. The Fresnel ROM wave plate 26 is an optical element that converts linearly polarized light into circularly polarized light in the same manner as the quarter wave plate, and is characterized by having little wavelength dependency. In the example shown in FIG. 5, the linearly polarized light in each direction of the radial polarized light that has passed through the phase shifter 30 becomes circularly polarized light by passing through the Fresnel ROM wavelength plate 26. Thereby, when the vector vortex transmitted through the Fresnel ROM wave plate 26 is caused to interfere with the reference light, a vector vortex with higher contrast of interference fringes can be generated.
また本実施形態では、参照光として直線偏光を用いる場合について説明したが、図５に示すように、光源１２から出射された光の一部を第１のビームスプリッタ１６により反射させ、反射させた光を反射型ラジアル偏光子２４に反射させることによりラジアル偏光とし、第２のビームスプリッタ１８により当該ラジアル偏光（参照光）と、フレネルロム波長板２６を透過したベクトル渦とを干渉させて軌道角運動量をもつベクトル渦を発生させるようにしてもよい。 In this embodiment, the case where linearly polarized light is used as the reference light has been described. However, as shown in FIG. 5, a part of the light emitted from the light source 12 is reflected by the first beam splitter 16 and reflected. The light is reflected by the reflective radial polarizer 24 to obtain radial polarization, and the second beam splitter 18 causes the radial polarization (reference light) to interfere with the vector vortex transmitted through the Fresnel ROM wavelength plate 26, thereby causing the orbital angular momentum. A vector vortex having may be generated.
また図５に示す例において、反射板２８と反射型ラジアル偏光子２４をそれぞれＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）として構成し、制御部６０が、ＤＭＤを構成する各ミラーの駆動を制御することにより、ステージ７２内でのベクトル渦を照射する位置を制御するようにしてもよい。 In the example shown in FIG. 5, the reflector 28 and the reflective radial polarizer 24 are each configured as a DMD (digital mirror device), and the control unit 60 controls the drive of each mirror constituting the DMD. The position where the vector vortex is irradiated in the stage 72 may be controlled.
４．液晶空間位相変調器を用いた渦発生装置の構成
図８は、本実施形態の液晶空間位相変調器を用いた渦発生装置の光学系の模式図である。4). Configuration of Vortex Generator Using Liquid Crystal Spatial Phase Modulator FIG. 8 is a schematic diagram of an optical system of a vortex generator using a liquid crystal spatial phase modulator of this embodiment.
図８に示す渦発生装置の光学系１０は、光源１２と、ラジアル偏光子２０（軸対称偏光子）と、第１の１／４波長板３２と、液晶空間位相変調器８０と、第２の１／４波長板３６とを含む。つまり、図１に示す１／２波長板３４を液晶空間位相変調器８０に置き換えた構成である。これらの光学素子は、光源１２から出射された光をラジアル偏光子２０に入射させ、ラジアル偏光子２０を透過した光を第１の１／４波長板３２、液晶空間位相変調器８０を介して第２の１／４波長板３６に入射させ、第２の１／４波長板３６からベクトル渦（光渦）を出射させるように配置されている。第１の１／４波長板３２及び第２の１／４波長板３６は、その主軸方位が４５°又は１３５°に設置されている。ここで、液晶空間位相変調器８０（液晶空間光変調器、ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）は、入力光の強度分布を変えることなく二次元的に入力光の位相を変調させるものである。 The optical system 10 of the vortex generator shown in FIG. 8 includes a light source 12, a radial polarizer 20 (axisymmetric polarizer), a first quarter-wave plate 32, a liquid crystal spatial phase modulator 80, a second ¼ wavelength plate 36. That is, the half-wave plate 34 shown in FIG. 1 is replaced with a liquid crystal spatial phase modulator 80. These optical elements allow light emitted from the light source 12 to enter the radial polarizer 20, and transmit the light transmitted through the radial polarizer 20 via the first quarter-wave plate 32 and the liquid crystal spatial phase modulator 80. It is arranged so as to enter the second quarter-wave plate 36 and emit a vector vortex (optical vortex) from the second quarter-wave plate 36. The first quarter wavelength plate 32 and the second quarter wavelength plate 36 are installed such that the principal axis directions thereof are 45 ° or 135 °. Here, the liquid crystal spatial phase modulator 80 (liquid crystal spatial light modulator, spatial light modulator) modulates the phase of the input light two-dimensionally without changing the intensity distribution of the input light.
図９は、液晶空間位相変調器８０の位相変調の一例について説明するための図である。 FIG. 9 is a diagram for explaining an example of phase modulation of the liquid crystal spatial phase modulator 80.
図９に示す液晶空間位相変調器８０は、複数の画素ＰＸを六角形状に配置したものであり、各画素ＰＸが液晶リターダとして駆動する。なお、複数の画素を格子状に配置した液晶空間位相変調器を用いるようにしてもよい。液晶空間位相変調器８０の各画素ＰＸの位相差Δを制御することにより第２の１／４波長板３６から出射させるベクトル渦を簡単に制御することができる。図９に示す例では、画素ＰＸの濃淡は位相差Δの大きさを表し、各画素ＰＸの位相差Δを液晶空間位相変調器８０の方位角θに応じて変化させている。すなわち方位角θ（０°≦θ＜３６０°）の範囲で各画素ＰＸの位相差Δがｍ×３６０°変化するように制御している。図９に示す例は、ｍ＝１とした場合の例である。 The liquid crystal spatial phase modulator 80 shown in FIG. 9 has a plurality of pixels PX arranged in a hexagonal shape, and each pixel PX is driven as a liquid crystal retarder. A liquid crystal spatial phase modulator in which a plurality of pixels are arranged in a lattice shape may be used. By controlling the phase difference Δ of each pixel PX of the liquid crystal spatial phase modulator 80, the vector vortex emitted from the second quarter-wave plate 36 can be easily controlled. In the example shown in FIG. 9, the shading of the pixel PX represents the magnitude of the phase difference Δ, and the phase difference Δ of each pixel PX is changed according to the azimuth angle θ of the liquid crystal spatial phase modulator 80. That is, the phase difference Δ of each pixel PX is controlled to change by m × 360 ° within the range of the azimuth angle θ (0 ° ≦ θ <360 °). The example shown in FIG. 9 is an example when m = 1.
ここで、図８に示す光学系１０における入射光の偏光状態の変化を図１０に示すポアンカレ球を用いて説明する。 Here, the change in the polarization state of the incident light in the optical system 10 shown in FIG. 8 will be described using the Poincare sphere shown in FIG.
ラジアル偏光子２０には円偏光又はランダム偏光が入射されラジアル偏光となるので、ラジアル偏光子２０を透過した光（ラジアル偏光）の偏光状態は、図２のポアンカレ球の赤道ＥＱ上に分布する。ここで、ラジアル偏光の方位をθとすると、ラジアル偏光のストークスパラメータは、次式で表すことができる。 Since circularly polarized light or random polarized light is incident on the radial polarizer 20 to become radial polarized light, the polarization state of the light transmitted through the radial polarizer 20 (radial polarized light) is distributed on the equator EQ of the Poincare sphere in FIG. Here, when the direction of radial polarization is θ, the Stokes parameter of radial polarization can be expressed by the following equation.
そして方位４５°に設置された第１の１／４波長板３２を透過した光の偏光状態は、ポアンカレ球上のＳ２−Ｓ３平面ＬＴに分布する。ここで、第１の１／４波長板３２を透過した光のストークスパラメータは、次式で表すことができる。The polarization state of the light transmitted through the first quarter-wave plate 32 installed at an azimuth of 45 ° is distributed on the S 2 -S 3 plane LT on the Poincare sphere. Here, the Stokes parameter of the light transmitted through the first quarter-wave plate 32 can be expressed by the following equation.
そして液晶空間位相変調器８０を透過することで、偏光状態はポアンカレ球上のＳ２−Ｓ３平面ＬＴを移動する。ここで、液晶空間位相変調器８０の方位角θにおける位相差をｍΔ（θ）とすると、液晶空間位相変調器８０を透過した光のストークスパラメータは、次式で表すことができる。Then, by passing through the liquid crystal spatial phase modulator 80, the polarization state moves on the S 2 -S 3 plane LT on the Poincare sphere. Here, when the phase difference at the azimuth angle θ of the liquid crystal spatial phase modulator 80 is mΔ (θ), the Stokes parameter of the light transmitted through the liquid crystal spatial phase modulator 80 can be expressed by the following equation.
そして方位４５°に設置された第２の１／４波長板３６を透過した光の偏光状態は、再びポアンカレ球の赤道ＥＱ上に分布する。ここで、第２の１／４波長板３６を透過した光のストークスパラメータは、次式で表すことができる。 The polarization state of the light transmitted through the second quarter-wave plate 36 installed at an azimuth of 45 ° is again distributed on the equator EQ of the Poincare sphere. Here, the Stokes parameter of the light transmitted through the second quarter-wave plate 36 can be expressed by the following equation.
このようにラジアル偏光子２０を透過した光の偏光状態は、第１及び第２の１／４波長板３２、３６と液晶空間位相変調器８０によってポアンカレ球上を循環的に変化する。その偏光状態の軌跡から幾何学的位相が発生し、ビーム中に発生した幾何学的位相から螺旋状の位相構造を有するベクトル渦（偏光と位相の特異点を有する渦）が生まれる。 Thus, the polarization state of the light transmitted through the radial polarizer 20 is cyclically changed on the Poincare sphere by the first and second quarter-wave plates 32 and 36 and the liquid crystal spatial phase modulator 80. A geometric phase is generated from the locus of the polarization state, and a vector vortex (vortex having a singular point of polarization and phase) is generated from the geometric phase generated in the beam.
ここで、方向振幅成分をＡ、ラジアル偏光の方位角をθ、液晶空間位相変調器８０の方位角θにおける位相差をｍΔ（θ）、ネイピア数をｅ、虚数をｉ、ｒ方向（半径方向）の単位ベクトルをｅｒ、方位方向の単位ベクトルをｅθとすると、図８に示す光学系１０において出射させるベクトル渦の電場ベクトルＥｏｕｔは、次式で表すことができる。Here, the direction amplitude component is A, the azimuth angle of the radial polarization is θ, the phase difference at the azimuth angle θ of the liquid crystal spatial phase modulator 80 is mΔ (θ), the Napier number is e, the imaginary number is i, and the r direction (radial direction) ) Is the unit vector e r , and the unit vector in the azimuth direction is e θ , the electric field vector E out of the vector vortex emitted from the optical system 10 shown in FIG.
図１１は、液晶空間位相変調器８０を用いた渦発生装置のブロック図の一例である。 FIG. 11 is an example of a block diagram of a vortex generator using the liquid crystal spatial phase modulator 80.
図１１に示す例では、渦発生装置１の光学系１０は、光源１２と、円偏光子１４と、ラジアル偏光子２０（軸対称偏光子）と、１／４波長板３３と、液晶空間位相変調器８０と、第１の反射板４０（反射板）とを含む。これらの光学素子は、光源１２から出射された光を円偏光子１４に入射させ、円偏光子１４を透過した円偏光をラジアル偏光子２０に入射させ、ラジアル偏光子２０を透過した光を、１／４波長板３３、液晶空間位相変調器８０を介して第１の反射板４０（ミラー）に反射させ、第１の反射板４０に反射した光を液晶空間位相変調器８０を介して１／４波長板３３に入射させ、１／４波長板３３からベクトル渦（光渦）を出射させるように配置されている。１／４波長板３３は、その主軸方位が４５°又は１３５°に設置されている。１／４波長板３３から出射されたベクトル渦の一部は第１のビームスプリッタ１６（ハーフミラー）によって図中上向きに反射される。 In the example shown in FIG. 11, the optical system 10 of the vortex generator 1 includes a light source 12, a circular polarizer 14, a radial polarizer 20 (axisymmetric polarizer), a quarter-wave plate 33, and a liquid crystal spatial phase. It includes a modulator 80 and a first reflecting plate 40 (reflecting plate). These optical elements cause the light emitted from the light source 12 to enter the circular polarizer 14, the circularly polarized light transmitted through the circular polarizer 14 to enter the radial polarizer 20, and the light transmitted through the radial polarizer 20, The light reflected by the first reflecting plate 40 (mirror) through the quarter-wave plate 33 and the liquid crystal spatial phase modulator 80 and reflected by the first reflecting plate 40 through the liquid crystal spatial phase modulator 80. It is arranged so as to be incident on the ¼ wavelength plate 33 and to emit a vector vortex (optical vortex) from the ¼ wavelength plate 33. The quarter wavelength plate 33 is installed such that the principal axis direction is 45 ° or 135 °. A part of the vector vortex emitted from the quarter-wave plate 33 is reflected upward in the figure by the first beam splitter 16 (half mirror).
図１１に示す例では、ラジアル偏光子２０を透過した光を、１／４波長板３３、液晶空間位相変調器８０を介して第１の反射板４０に反射させ、第１の反射板４０に反射した光を液晶空間位相変調器８０を介して１／４波長板３３に入射させるようにすることで、ラジアル偏光子２０を透過した光を、第１の１／４波長板３２、液晶空間位相変調器８０を介して第２の１／４波長板３６に入射させる図８に示す構成と等価な光学系を構成している。このようにすると、渦発生装置を構成する光学素子の数を少なくすることができるとともに液晶空間位相変調器８０による位相変調の量を大きくすることができる。 In the example shown in FIG. 11, the light transmitted through the radial polarizer 20 is reflected on the first reflecting plate 40 via the quarter-wave plate 33 and the liquid crystal spatial phase modulator 80, and is reflected on the first reflecting plate 40. The reflected light is incident on the quarter-wave plate 33 via the liquid crystal spatial phase modulator 80, so that the light transmitted through the radial polarizer 20 is converted into the first quarter-wave plate 32, the liquid crystal space. An optical system equivalent to the configuration shown in FIG. 8 that is incident on the second quarter-wave plate 36 via the phase modulator 80 is configured. In this way, the number of optical elements constituting the vortex generator can be reduced, and the amount of phase modulation by the liquid crystal spatial phase modulator 80 can be increased.
なお、光源１２から出射され円偏光子１４を透過した光の一部は、第２のビームスプリッタ１７によって図中下向きに反射され、反射された光は第２の反射板４４に反射され、反射された光は偏光子４２を透過して直線偏光となる。この直線偏光（参照光）は第１のビームスプリッタ１６を透過し、第１のビームスプリッタ１６によって反射されたベクトル渦と干渉して、スクリーン４６を介して撮像部４８によって取り込まれる。１／４波長板３３から出射されたベクトル渦を球面波の参照光と干渉させると、螺旋状の干渉縞が形成され、この干渉縞は撮像部４８によって観察することができる。 A part of the light emitted from the light source 12 and transmitted through the circular polarizer 14 is reflected downward in the figure by the second beam splitter 17, and the reflected light is reflected by the second reflecting plate 44 and reflected. The emitted light passes through the polarizer 42 and becomes linearly polarized light. The linearly polarized light (reference light) passes through the first beam splitter 16, interferes with the vector vortex reflected by the first beam splitter 16, and is captured by the imaging unit 48 through the screen 46. When the vector vortex emitted from the quarter-wave plate 33 interferes with the spherical reference light, a spiral interference fringe is formed, and this interference fringe can be observed by the imaging unit 48.
渦発生装置１は、制御部５０を更に含む。制御部５０は、液晶空間位相変調器８０の各画素への印加電圧を制御して、液晶空間位相変調器８０の各画素の位相差を設定する。 The vortex generator 1 further includes a control unit 50. The controller 50 controls the voltage applied to each pixel of the liquid crystal spatial phase modulator 80 to set the phase difference of each pixel of the liquid crystal spatial phase modulator 80.
液晶空間位相変調器８０の位相分布を制御することにより、出射されるベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを自在に制御することができる。すなわちベクトル渦の偏光と位相の特異点を維持しつつそれらを自在に制御することができる。 By controlling the phase distribution of the liquid crystal spatial phase modulator 80, the quantum number l of the orbital angular momentum of the emitted vector vortex can be freely controlled. That is, it is possible to freely control the vector vortex while maintaining the polarization and phase singularities.
図１２Ａは、液晶空間位相変調器８０の各画素ＰＸの位相差Δの分布を、図９に示すように制御した場合に出射されるベクトル渦を偏光子を通して撮像した画像であり、図１２Ｂは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図１２Ｂをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝１と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。 12A is an image obtained by imaging the vector vortex emitted when the distribution of the phase difference Δ of each pixel PX of the liquid crystal spatial phase modulator 80 is controlled as shown in FIG. 9 through a polarizer, and FIG. This is an image obtained by imaging an interference fringe formed by causing this vector vortex to interfere with reference light. FIG. 12B shows that the number of spiral interference fringes equal to the quantum number l = 1 of the orbital angular momentum is formed.
図１３Ａは、液晶空間位相変調器８０の方位角θ（０°≦θ＜３６０°）の範囲で各画素ＰＸの位相差Δを２×３６０°変化させるように制御した場合の液晶空間位相変調器８０の位相分布を示す。すなわち０°≦θ＜１８０°、１８０°≦θ＜３６０°のそれぞれの範囲で位相差Δを３６０°変化させている。図１３Ｂは、液晶空間位相変調器８０の位相分布を図１３Ａに示すように制御した場合に出射されるベクトル渦を偏光子を通して撮像した画像であり、図１３Ｃは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図１３Ｃをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝２と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。 FIG. 13A shows the liquid crystal spatial phase modulation when the phase difference Δ of each pixel PX is controlled to change 2 × 360 ° within the range of the azimuth angle θ (0 ° ≦ θ <360 °) of the liquid crystal spatial phase modulator 80. The phase distribution of the device 80 is shown. That is, the phase difference Δ is changed by 360 ° in the respective ranges of 0 ° ≦ θ <180 ° and 180 ° ≦ θ <360 °. 13B is an image obtained by imaging a vector vortex emitted when the phase distribution of the liquid crystal spatial phase modulator 80 is controlled as shown in FIG. 13A through a polarizer. FIG. 13C shows this vector vortex as reference light. It is the image which imaged the interference fringe formed by making it interfere. FIG. 13C shows that spiral interference fringes having a number equal to the quantum number l = 2 of the orbital angular momentum are formed.
図１４Ａは、液晶空間位相変調器８０の方位角θ（０°≦θ＜３６０°）の範囲で各画素ＰＸの位相差Δを３×３６０°変化させるように制御した場合の液晶空間位相変調器８０の位相分布を示す。すなわち０°≦θ＜１２０°、１２０°≦θ＜２４０°、２４０°≦θ＜３６０°のそれぞれの範囲で位相差Δを３６０°変化させている。図１４Ｂは、液晶空間位相変調器８０の位相分布を図１４Ａに示すように制御した場合に出射されるベクトル渦を偏光子を通して撮像した画像であり、図１４Ｃは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図１４Ｃをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝３と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。 FIG. 14A shows liquid crystal spatial phase modulation when the phase difference Δ of each pixel PX is controlled to change by 3 × 360 ° within the range of the azimuth angle θ (0 ° ≦ θ <360 °) of the liquid crystal spatial phase modulator 80. The phase distribution of the device 80 is shown. That is, the phase difference Δ is changed by 360 ° in the respective ranges of 0 ° ≦ θ <120 °, 120 ° ≦ θ <240 °, and 240 ° ≦ θ <360 °. 14B is an image obtained by imaging a vector vortex emitted when the phase distribution of the liquid crystal spatial phase modulator 80 is controlled as shown in FIG. 14A through a polarizer. FIG. 14C shows the vector vortex as reference light. It is the image which imaged the interference fringe formed by making it interfere. FIG. 14C shows that the number of spiral interference fringes equal to the orbital angular momentum quantum number l = 3 is formed.
図１５Ａは、液晶空間位相変調器８０の方位角θ（０°≦θ＜３６０°）の範囲で各画素ＰＸの位相差Δを４×３６０°変化させるように制御した場合の液晶空間位相変調器８０の位相分布を示す。すなわち０°≦θ＜９０°、９０°≦θ＜１８０°、１８０°≦θ＜２７０°、２７０°≦θ＜３６０°のそれぞれの範囲で位相差Δを３６０°変化させている。図１５Ｂは、液晶空間位相変調器８０の位相分布を図１５Ａに示すように制御した場合に出射されるベクトル渦を偏光子を通して撮像した画像であり、図１５Ｃは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図１５Ｃをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝４と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。 FIG. 15A shows liquid crystal spatial phase modulation when the phase difference Δ of each pixel PX is controlled to change by 4 × 360 ° within the range of the azimuth angle θ (0 ° ≦ θ <360 °) of the liquid crystal spatial phase modulator 80. The phase distribution of the device 80 is shown. That is, the phase difference Δ is changed by 360 ° in each of the ranges of 0 ° ≦ θ <90 °, 90 ° ≦ θ <180 °, 180 ° ≦ θ <270 °, and 270 ° ≦ θ <360 °. FIG. 15B is an image obtained by imaging a vector vortex emitted when the phase distribution of the liquid crystal spatial phase modulator 80 is controlled as shown in FIG. 15A through a polarizer. FIG. 15C shows this vector vortex as reference light. It is the image which imaged the interference fringe formed by making it interfere. Referring to FIG. 15C, it can be seen that the number of spiral interference fringes equal to the quantum number l = 4 of the orbital angular momentum is formed.
５．液晶空間位相変調器を用いた渦発生装置を適用した物体制御装置の構成
図１６は、液晶空間位相変調器８０を用いた渦発生装置を適用した物体制御装置のブロック図の一例である。5. Configuration of Object Control Device to which Vortex Generator Using Liquid Crystal Spatial Phase Modulator is Applied FIG. 16 is an example of a block diagram of an object control device to which a vortex generator using a liquid crystal spatial phase modulator 80 is applied.
図１６に示す物体制御装置１００は、光学系１０と、対物レンズ７０と、微小物体７４（被制御物体）を載せたステージ７２とを含む。なお図１６中、図８、１１において示した構成と共通する構成には同符号を付し、その説明を省略する。 An object control apparatus 100 shown in FIG. 16 includes an optical system 10, an objective lens 70, and a stage 72 on which a minute object 74 (controlled object) is placed. In FIG. 16, the same reference numerals are given to the same components as those shown in FIGS.
対物レンズ７０は、光学系１０から出射された軌道角運動量を持つベクトル渦（光渦）を集光してステージ７２上の微小物体７４に照射する。これにより微小物体７４を把持しつつ微小物体７４の動作（回転）を制御することができる。また制御部６０により液晶空間位相変調器８０の位相分布を変化させることで、ベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを変化させることができるため、微小物体７４の質量に応じてベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを制御したり、微小物体７４の回転速度を制御したりすることができる。 The objective lens 70 collects the vector vortex (optical vortex) having the orbital angular momentum emitted from the optical system 10 and irradiates the minute object 74 on the stage 72. Thereby, it is possible to control the operation (rotation) of the minute object 74 while holding the minute object 74. In addition, since the quantum number l of the orbital angular momentum of the vector vortex can be changed by changing the phase distribution of the liquid crystal spatial phase modulator 80 by the control unit 60, the orbit of the vector vortex depends on the mass of the minute object 74. The quantum number l of the angular momentum can be controlled, and the rotation speed of the minute object 74 can be controlled.
上記記載では、光学系１０に含まれる第１の１／４波長板３２、第２の１／４波長板３６、１／４波長板３３の主軸方位を４５°とする場合について説明したが、これらの光学素子の主軸方位を任意に設定してもよい。このようにすると光学系１０から出射される光の偏光状態はベクトル渦からストークス渦に変化する。 In the above description, the case where the principal axis directions of the first quarter wavelength plate 32, the second quarter wavelength plate 36, and the quarter wavelength plate 33 included in the optical system 10 are set to 45 ° is described. The principal axis direction of these optical elements may be arbitrarily set. In this way, the polarization state of the light emitted from the optical system 10 changes from the vector vortex to the Stokes vortex.
本発明は、レーザトラップ装置と組み合わせることで、ナノメートルからマイクロメートルまでの大きさの微小物体を把持しつつ回転させることができ、微小物体の動作を制御する際の自由度を高めることができる。例えばＤＮＡや細胞を１個づつ操作することが可能なため医療分野において利用することができる。またカーボンナノ材料のナノデバイス開発において利用することができる。 In combination with a laser trap device, the present invention can rotate while grasping a minute object having a size of nanometer to micrometer, and can increase the degree of freedom in controlling the operation of the minute object. . For example, since DNA and cells can be manipulated one by one, they can be used in the medical field. It can also be used in the development of carbon nanomaterial nanodevices.
Claims (6)
それぞれ放射状に偏光軸をもつ偏光子である第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／４波長板、前記１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする渦発生装置。 A vortex generator for generating a vector vortex with orbital angular momentum,
First and second axisymmetric polarizers each having a radial polarization axis, first and second quarter-wave plates, and half-wave plates,
Predetermined light is incident on the first axisymmetric polarizer, and light transmitted through the first axisymmetric polarizer is converted into the first quarter-wave plate, the half-wave plate, and the first A vortex generator configured to be incident on the second axisymmetric polarizer via a two quarter-wave plate and to emit a vector vortex from the second axisymmetric polarizer.
前記１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする渦発生装置。 In claim 1,
The half-wave plate is configured to be rotatable, and is a vortex generator.
それぞれ放射状に偏光軸をもつ偏光子である第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、第１及び第２の１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／２波長板、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする渦発生装置。 A vortex generator for generating a vector vortex with orbital angular momentum,
First and second axisymmetric polarizers each being a polarizer having a radial polarization axis, first and second quarter-wave plates, and first and second half-wave plates ,
Predetermined light is incident on the first axisymmetric polarizer, and the light transmitted through the first axisymmetric polarizer is converted into the first half-wave plate, the first quarter-wave plate, The light is incident on the second axisymmetric polarizer through the second half-wave plate and the second quarter-wave plate, and a vector vortex is emitted from the second axisymmetric polarizer. The vortex generator characterized by being comprised.
前記第１及び第２の１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする渦発生装置。 In claim 3,
The vortex generator is characterized in that the first and second half-wave plates are configured to be rotatable.
放射状に偏光軸をもつ偏光子である第１の軸対称偏光子に所定の光を入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／４波長板、１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して、放射状に偏光軸をもつ偏光子である第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする渦発生方法。 A vortex generation method for generating a vector vortex having an orbital angular momentum,
Making predetermined light incident on a first axially symmetric polarizer that is a polarizer having a polarization axis radially ;
The light transmitted through the first axially symmetric polarizer, a first quarter-wave plate, 1/2-wavelength plate, and through the second quarter-wave plate, a polarizer having a polarization axis in a radial And entering a second axisymmetric polarizer, and emitting a vector vortex from the second axisymmetric polarizer.
放射状に偏光軸をもつ偏光子である第１の軸対称偏光子に所定の光を入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／２波長板、第１の１／４波長板、第２の１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して、放射状に偏光軸をもつ偏光子である第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする渦発生方法。 A vortex generation method for generating a vector vortex having an orbital angular momentum,
Making predetermined light incident on a first axially symmetric polarizer that is a polarizer having a polarization axis radially ;
The light transmitted through the first axisymmetric polarizer is converted into a first half-wave plate, a first quarter-wave plate, a second half-wave plate, and a second quarter-wave plate. Vortex generation comprising the steps of: entering a second axially symmetric polarizer, which is a polarizer having a polarization axis radially, through the substrate, and emitting a vector vortex from the second axially symmetric polarizer. Method.
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