JP5464415B2 - 光ビーム発生方法および光ビーム発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、非線形光学効果を持つ複屈折性物質を用いて円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームを発生させることを特徴とする光ビーム発生方法および光ビーム発生装置に関するものである。

ビーム断面での偏光分布が光軸に対して対称に分布している光ビームは、軸対称偏光ビームと呼ばれている。その代表例として、放射状の偏光分布を持つ径偏光ビームや、方位方向に平行な偏光成分だけから成る方位偏光ビームが知られている。

径偏光ビームを強く集光すると、直線偏光ビームよりも小さなスポットを形成でき、さらに円環状の強度分布を持つ径偏光ビームを用いれば最も小さなスポットが得られることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

共焦点レーザー顕微鏡や多光子顕微鏡、非線形光学顕微鏡などのレーザー走査型光学顕微鏡においては、走査するレーザービームのスポット径が小さいほど、高い空間分解能を得ることができる。

しかし、円環状の径偏光ビームを得るためには、円状マスクによってドーナツ状の径偏光ビームの内側のほとんどの部分を遮断する方法が考えられるが、効率が悪い上に、マスク端での回折によるビーム拡がりが発生し、微小スポットが得られない。

また、レーザー共振器内にアキシコンと呼ばれる円錐状光学素子を挿入することで、リング状あるいはアーク状の径偏光ビームを発生させることも報告されているが、局所的に複雑な強度分布を持ったビームであって、軸対称な分布でないため、やはり、微小スポットが得られない（例えば、非特許文献２参照）。

一方、方位偏光ビームは中空ビームとなることが知られており、さらに円環状の方位偏光ビームは、中空部分が最も狭いビームとなる（例えば、非特許文献３参照）。

しかし、径偏光ビームと同様に、効率および品質の高い円環状方位偏光ビームの発生方法および装置は報告されていない。

C. J. R. Sheppardand A. Choudhury, "Annular pupils, radial polarization, and superresolution", App.Opt., 2004年, 43, p.4322-4327 J. -F. Bisson j.Li, K. Ueda and Yu. Senatsky, "Radially polarized ring and arc beam of aneodymium laser with an intra-cavity axicon", Opt. Express, 2006年, 14,p.3304-3311 S. Sato and Y.Kozawa, "Hollow vortex beams", J. Opt. Soc. Am., 2009年, A 26,p.142-146

そこで、本発明は、非線形光学効果を持つ物質を用いて円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームを発生させることができ、円環状の強度分布と軸対称な偏光分布とを持つコヒーレントな光ビームを得ることのできる光ビーム発生方法および光ビーム発生装置を提供することを目的とする。

複屈折性の非線形光学結晶を用いる場合、基本波の入射角度が位相整合条件を満たす場合のみ第二高調波が効率よく発生し、その偏光方向も厳密に決定される。本発明は、ｃ軸カットの複屈折性非線形結晶の表面に垂直に光ビームを入射して第二高調波発生を行うことで、円環状の強度分布と軸対称な偏光分布とを持つコヒーレントな光ビームを得ることのできる光ビーム発生方法および光ビーム発生装置に関する。

本発明によれば、非線形光学効果を持つ複屈折性物質に、位相整合条件を満足する入射角度で基本波を入射することにより第二高調波を発生させ、円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームを得ることを特徴とする光ビーム発生方法および光ビーム発生装置が得られる。

また、本発明によれば、前記軸対称偏光ビームが、連続波またはパルス波であることを特徴とする光ビーム発生方法および光ビーム発生装置が得られる。

また、本発明によれば、前記軸対称偏光ビームが、単一または複数の縦モードまたは横モードであることを特徴とする光ビーム発生方法および光ビーム発生装置が得られる。

また、本発明によれば、前記複屈折性物質が、単一または複数であることを特徴とする光ビーム発生方法および光ビーム発生装置が得られる。

また、本発明によれば、前記複屈折性物質が、レーザー共振器の内部または外部にあることを特徴とする光ビーム発生方法。および光ビーム発生装置が得られる。

また、本発明によれば、前記軸対称偏光ビームが、方位角方向に対して同一の位相を持つこと、または方位角方向に対して複数回反転する位相分布を持つことを特徴とする光ビーム発生方法および光ビーム発生装置が得られる。

本発明により、極めて細い幅を持つ円環状の強度分布および軸対称な偏光分布の両者を同時に兼ね備えたコヒーレントな光ビームの発生方法と、その発生装置を提供することができる。また、従来よく利用されている直線偏光や円偏光ビームよりもさらに小さなスポットを形成することが可能となり、レーザー走査型光学顕微鏡の空間分解能を格段に向上させることができる。さらに、光軸上の中空部分が極めて狭い中空ビームを発生させることができる。

本発明の実施の形態の光ビーム発生装置の、軸対称偏光ビームとして代表的な（ａ）径偏光ビーム、（ｂ）方位偏光ビーム、（ｃ）これらの重ねあわせとして表現できるビームのビーム断面での偏光分布を示す分布図である。 本発明の実施の形態の光ビーム発生装置を示す構成図である。 図２に示す光ビーム発生装置に方位偏光である基本波を入射した時に得られる、コヒーレントな円環状径偏光ビームのビーム断面での（ａ）全強度分布、（ｂ）矢印で示す第１の向きの直線偏光板を通した後の強度分布、（ｃ）矢印で示す第２の向きの直線偏光板を通した後の強度分布、（ｄ）矢印で示す第３の向きの直線偏光板を通した後の強度分布を示す分布図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、軸対称偏光ビームとして代表的な（ａ）径偏光（TM₀₁モード）、（ｂ）方位偏光（TEM₀₁モード）、および（ｃ）これらの重ねあわせとして表現できるビームの、ビーム断面での偏光分布を示す。

図２は、円環状軸対称偏光ビームを発生させる、本発明の実施の形態の光ビーム発生装置の一例である。入射光ビームである基本波１は、方位偏光ビームであり、その光軸がｃ軸カットでかつ負の複屈折性を持つ非線形結晶３のｃ軸と平行になるように、レンズ２で集光されながら非線形結晶３に入射する。すなわち、基本波１の全ての光線は、図２中の黒丸で示したように常光線である。第二高調波４が効率よく発生するためには、位相整合条件を満足する必要があり、ｃ軸に対する基本波１の入射角度は、非線形結晶３および基本波１の波長によって一義的に決定される。それ以外の角度で入射した基本波１は、位相整合条件を満足しないため、第二高調波４の発生効率は著しく低下する。図２の場合は、位相整合はタイプＩであり、図２中の双方向矢印で示したように、第二高調波４の全ての光線は異常光線となる。これより、図３に示すように、発生する第二高調波４はコヒーレントな円環状径偏光ビームとなる。

基本波１が図１（ｃ）のような偏光分布を持ち、非線形結晶３が負の複屈折性を持つ場合は、全ての光線は常光線および異常光線の両成分を持ち、タイプIIの位相整合が可能となるが、発生する第二高調波４の光線は全て異常光線となり、円環状径偏光ビームが得られる。

非線形結晶３が正の複屈折性を持つ場合は、タイプIの位相整合条件を満たすためには、基本波１は異常光線、すなわち、図１（ａ）の径偏光ビームである必要がある。また、タイプIIの場合は、異常光線および常光線の両成分を持つ必要があり、基本波１は図１（ｃ）のビームとなる。いずれの場合も、発生する第二高調波４は常光線となり、すなわちコヒーレントな円環状方位偏光ビームが得られる。

図３の例では、円環状径偏光ビームの強度分布がほぼ６回対称性をもっているが、これは用いる非線形結晶３が属する点群に依存する。例えば、BBOやLiNbO₃などの点群3mに属する結晶では、図３のような強度分布となる。CLBOやKDPなどの点群42mに属する結晶では、強度分布は４回対称性を持つ。LiIO₃などの点群６に属する結晶では、強度分布はゼロ点を持たない均一な円環となる。

基本波１となる光ビームが連続波であるか、またはパルス波であるかによって、発生する円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームも、同様に連続波またはパルス波となる。

基本波１となる光ビームの縦モードが、単一であるか、あるいは複数であるかによっても、同様に単一あるいは複数の縦モードを持つ円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームが発生する。

基本波１となる光ビームが、径偏光ビームや方位偏光ビームなどの内のひとつであっても、あるいはそれらの内の複数であっても、同様に円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームが発生する。

第二高調波４を発生する非線形光学効果を持つ複屈折性物質が、単一あるいは複数であっても、同様に円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームが発生する。

第二高調波４を発生する非線形光学効果を持つ複屈折性物質が、レーザー共振器の内部あるいは外部にあっても、同様に円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームが発生する。

１ 基本波
２ （集光）レンズ
３ （複屈折性）非線形結晶
４ 第二高調波

Claims (12)

1. 非線形光学効果を持つ複屈折性物質に、位相整合条件を満足する入射角度で基本波を入射することにより第二高調波を発生させ、円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームを得ることを特徴とする光ビーム発生方法。
2. 前記軸対称偏光ビームが、連続波またはパルス波であることを特徴とする請求項１記載の光ビーム発生方法。
3. 前記軸対称偏光ビームが、単一または複数の縦モードまたは横モードであることを特徴とする請求項１または２記載の光ビーム発生方法。
4. 前記複屈折性物質が、単一または複数であることを特徴とする請求項１、２または３記載の光ビーム発生方法。
5. 前記複屈折性物質が、レーザー共振器の内部または外部にあることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の光ビーム発生方法。
6. 前記軸対称偏光ビームが、方位角方向に対して同一の位相を持つこと、または方位角方向に対して複数回反転する位相分布を持つことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の光ビーム発生方法。
7. 非線形光学効果を持つ複屈折性物質に、位相整合条件を満足する入射角度で基本波を入射することにより第二高調波を発生させ、円環状の強度分布を持つ軸対称偏光ビームを得るよう構成されていることを特徴とする光ビーム発生装置。
8. 前記軸対称偏光ビームが、連続波またはパルス波であることを特徴とする請求項７記載の光ビーム発生装置。
9. 前記軸対称偏光ビームが、単一または複数の縦モードまたは横モードであることを特徴とする請求項７または８記載の光ビーム発生装置。
10. 前記複屈折性物質が、単一または複数であることを特徴とする請求項７、８または９記載の光ビーム発生装置。
11. 前記複屈折性物質が、レーザー共振器の内部または外部にあることを特徴とする請求項７、８、９または１０記載の光ビーム発生装置。
12. 前記軸対称偏光ビームが、方位角方向に対して同一の位相を持つこと、または方位角方向に対して複数回反転する位相分布を持つことを特徴とする請求項７、８、９、１０または１１記載の光ビーム発生装置。