JP6188079B2 - Optical vortex generator, continuous spiral phase plate used therefor, and optical vortex generation method - Google Patents
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Description
本発明は、光渦発生装置及びこれに用いられる連続螺旋型位相板並びに光渦発生方法に関する。より具体的には、テラヘルツ帯域において光渦を発生させる方法及びそれに用いられる光渦発生装置及び連続螺旋型位相板に好適なものである。 The present invention relates to an optical vortex generator, a continuous spiral phase plate used therefor, and an optical vortex generation method. More specifically, the present invention is suitable for a method for generating an optical vortex in the terahertz band, an optical vortex generator used in the method, and a continuous spiral phase plate.
光渦は等位相面（波面）が螺旋状であって、中央が凹んだドーナツ型の強度分布を有するレーザー光である。光渦は、光波面に直行する方向に力が作用するため、マイクロオーダーの物質を操る光ピンセット、レーザー加工、超解像顕微分光等に応用できる。 The optical vortex is a laser beam having a donut-shaped intensity distribution having an equiphase surface (wavefront) spiral and a concave center. Since the optical vortex acts in a direction perpendicular to the optical wavefront, it can be applied to optical tweezers, laser processing, super-resolution microspectroscopy light, etc. that manipulate micro-order materials.
公知の光渦発生方法として、螺旋型位相板を用いる手法が、例えば下記非特許文献１に記載されている。 As a known optical vortex generation method, a technique using a spiral phase plate is described in Non-Patent Document 1, for example.
しかしながら、周波数０．１〜３０ＴＨｚのテラヘルツ帯域において光渦の発生はこれまで前例がなく未踏領域として取り残されている。 However, the generation of optical vortices in the terahertz band with a frequency of 0.1 to 30 THz has been unprecedented and left as an unexplored region.
そこで、本発明は、上記課題を鑑み、テラヘルツ帯域において光渦を発生させる方法並びにこれを実現する光渦発生装置及び連続螺旋型位相板を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method of generating an optical vortex in the terahertz band, an optical vortex generator and a continuous spiral phase plate that realize the method.
上記課題を解決する本発明の一観点に係る連続螺旋型位相板は、テラヘルツ帯域において透過性を有するオレフィンポリマー樹脂により構成されることを特徴とする。 The continuous spiral phase plate according to one aspect of the present invention that solves the above-described problems is characterized by being composed of an olefin polymer resin having transparency in the terahertz band.
また、本発明の他の一観点に係る光渦発生方法は、テラヘルツ帯域において透過性を有するオレフィンポリマー樹脂により構成される連続螺旋型位相板にテラヘルツ帯域のレーザー光を照射して光渦を発生させることを特徴とする。 An optical vortex generation method according to another aspect of the present invention generates an optical vortex by irradiating a continuous helical phase plate made of an olefin polymer resin having transparency in the terahertz band with laser light in the terahertz band. It is characterized by making it.
また、本発明の他の一観点に係る光渦発生装置は、テラヘルツ帯域のレーザー光を発生させるレーザー光源部と、レーザー光をコリメートさせるコリメータと、入射されるコリメートされたレーザー光を光渦に変化させる連続螺旋型位相板と、を有する。 An optical vortex generator according to another aspect of the present invention includes a laser light source unit that generates laser light in a terahertz band, a collimator that collimates the laser light, and incident collimated laser light into an optical vortex. And a continuous spiral phase plate to be changed.
以上、本発明により、テラヘルツ帯域において光渦を発生させる方法並びにこれを実現する光渦発生装置及び連続螺旋型位相板を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for generating an optical vortex in the terahertz band, an optical vortex generator and a continuous spiral phase plate that realize the method.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different forms, and is not limited to the following embodiments and examples.
図１は、本実施形態に係る光渦発生装置（以下「本装置」という。）１の概略を示す図である。本図で示すように、本装置１は、テラヘルツ帯域のレーザー光を発生させるレーザー光源部１１と、レーザー光をコリメートさせるコリメータ１２と、入射されるコリメートされたレーザー光を光渦に変化させる連続螺旋型位相板１３と、を有する。 FIG. 1 is a diagram showing an outline of an optical vortex generator (hereinafter referred to as “the present apparatus”) 1 according to the present embodiment. As shown in the figure, the apparatus 1 includes a laser light source unit 11 that generates laser light in the terahertz band, a collimator 12 that collimates the laser light, and a continuous laser beam that changes incident collimated laser light into an optical vortex. A helical phase plate 13.
ここで本実施形態におけるテラヘルツ帯域とは、周波数０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲をいい、より具体的に「テラヘルツ帯域のレーザー光」とは１０μｍ以上３００μｍ以下の波長範囲にあるレーザー光をいう。本実施形態に係る連続螺旋型位相板の透過範囲及び材料の加工限界を考慮すると周波数１．２ＴＨｚ以上１２ＴＨｚ以下の範囲内であることがより好ましい。 Here, the terahertz band in the present embodiment refers to a frequency range of 0.1 THz to 30 THz, and more specifically “laser light in the terahertz band” refers to laser light in a wavelength range of 10 μm to 300 μm. Considering the transmission range of the continuous spiral phase plate according to the present embodiment and the processing limit of the material, it is more preferable that the frequency is in the range of 1.2 THz to 12 THz.
本実施形態において、レーザー光源部１１は、テラヘルツ帯域のレーザー光を発生させることができる限りにおいて限定されず、様々な部材を用いることができる。限定されるわけではないが、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー等の公知のレーザー光源を用い、レーザー光源から発せられたレーザー光を分割し、それぞれに対しＰＰＳＬＴ、ＰＰＬＮ等の波長変換素子によって異なる波長に変換し、ＤＡＳＴ（４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｌｂａｚｏｌｉｕｍｔｏｓｙｌａｔｅ）結晶等を用いて差周波を発生させることは好ましい一例である。 In the present embodiment, the laser light source unit 11 is not limited as long as it can generate laser light in the terahertz band, and various members can be used. Although not limited, for example, a known laser light source such as an Nd: YVO 4 laser is used to divide the laser light emitted from the laser light source, and each wavelength varies depending on the wavelength conversion element such as PPSLT or PPLN. It is a preferable example that a difference frequency is generated using a DAST (4-dimethylamino-N-methyl-4-stillbazolium sylate) crystal or the like.
また、本実施形態では、連続螺旋型位相板１３には、所定の面積を有する平行（コリメート）な光を入射させる必要があるため、この機能を有するコリメータ１２を備えていることが望ましい。コリメータの例としては限定されるわけではないが、レンズやミラーを所望の機能を有するように組み合わせたものを例示することができる。また、平行な光の面積としては、連続螺旋型位相板の面積に合わせて適宜調節可能である。 In the present embodiment, since it is necessary for the continuous spiral phase plate 13 to receive parallel (collimated) light having a predetermined area, it is desirable to include the collimator 12 having this function. An example of the collimator is not limited, but a combination of lenses and mirrors having a desired function can be exemplified. The parallel light area can be adjusted as appropriate according to the area of the continuous spiral phase plate.
また本実施形態における連続螺旋型位相板１３は、入射されるコリメートされたレーザー光を光渦に変化させるものである。図２は、本実施形態に係る連続螺旋型位相板（以下「本位相板」という。）１３の概略を説明するための図である。 Moreover, the continuous spiral phase plate 13 in this embodiment changes incident collimated laser light into an optical vortex. FIG. 2 is a view for explaining an outline of a continuous spiral phase plate (hereinafter referred to as “the present phase plate”) 13 according to the present embodiment.
また本連続螺旋型位相板１３の材料は、限定されるわけではないが、オレフィンポリマー樹脂であることが好ましい。オレフィンポリマー樹脂はテラヘルツ帯から可視領域までほぼ屈折率が一定であるため、発生したテラヘルツ光渦は広い帯域にわたって純度の高い光渦であるといえる。また、加工が容易であるといった効果もあり、この結果無段階で連続的に厚さの変わる螺旋形状が可能となる。 The material of the continuous helical phase plate 13 is not limited, but is preferably an olefin polymer resin. Since the olefin polymer resin has a substantially constant refractive index from the terahertz band to the visible region, it can be said that the generated terahertz light vortex is a high-purity optical vortex over a wide band. In addition, there is an effect that processing is easy, and as a result, a spiral shape in which the thickness continuously changes in a stepless manner is possible.
また、本図で示すように、本位相板１３は、中心軸（想定される光の進行方向）に垂直な面に沿った直線が中心軸を中心に一周回転しつつ厚み方向に移動することにより形成される面に沿って構成されている。この結果、当該面は無段階で連続的となっている一方、当該直線が中心を一周した結果、段差面Ｓを生じさせることとなる。なおこの段差面の形状は長方形であって、厚さｄ（想定される光の進行方向における段差の高さ）は、下記式で示されるものとなっており、必要とされる波長に応じて適宜調整可能であるが、本実施形態において、材料の加工限界と材料の透過性を考慮すると、段差ｄの大きさは、１μｍ以上５００μｍ以下の範囲としておくことが好ましく、より好ましくは１２μｍ以上５００μｍ以下の範囲内である。なお下記式中、ｎは屈折率であり、ｍはトポロジカルチャージを示す。
なお、本位相板１３において、上記無段階の連続的な螺旋が形成された面の他方の面は限定されるわけではないが平面であることが好ましい。 In the phase plate 13, the other surface on which the stepless continuous spiral is formed is not limited, but is preferably a flat surface.
以上、本実施形態ではオレフィンポリマー樹脂（Ｔｓｕｒｕｐｉｃａ）を用いて連続螺旋位相板を用いることで、テラヘルツ帯の光渦を発生させることが可能となる。 As described above, in this embodiment, it is possible to generate a terahertz band optical vortex by using a continuous spiral phase plate using an olefin polymer resin (Tsurupica).
ここで、本実施形態に係る光渦発生方法（以下「本方法」という。）について説明する。本方法は、テラヘルツ帯域において透過性を有するオレフィンポリマー樹脂により構成される無段階の連続螺旋型位相板にテラヘルツ波長範囲のレーザー光を照射して光渦を発生させることを特徴とする。 Here, an optical vortex generation method (hereinafter referred to as “the present method”) according to the present embodiment will be described. This method is characterized in that an optical vortex is generated by irradiating laser light in a terahertz wavelength range onto a stepless continuous spiral phase plate composed of an olefin polymer resin having transparency in the terahertz band.
本方法において、平行光が本位相板に入射されるとその透過した距離に応じて位相の変調を受ける。そして本位相板は連続的に螺旋を描いているため変調を受ける量は厚みに依存する、すなわち螺旋的に変化していくこととなる。この結果、光渦を発生させることが可能となる。なお本位相板は、中心軸はそのままとして反対向きに配置することで反対の光渦を発生させることができる。 In this method, when parallel light enters the phase plate, it undergoes phase modulation in accordance with the transmitted distance. Since this phase plate continuously spirals, the amount of modulation depends on the thickness, that is, it changes spirally. As a result, an optical vortex can be generated. In addition, this phase plate can generate an opposite optical vortex by arranging it in the opposite direction with the central axis as it is.
以上、本装置を用いることで、テラヘルツ帯の光渦を発生させることができる。具体的には、本実施形態では、オレフィンポリマー樹脂はテラヘルツ領域から可視領域までほぼ屈折率が一定であり、発生したテラヘルツ光渦は広帯域にわたって純度の高い光渦となる。なおオレフィンポリマー樹脂は金型による作成が可能であるため加工が容易であり、無段階の連続螺旋形状にでき、位相変調を滑らかにすることが可能となる。 As described above, by using this apparatus, a terahertz band optical vortex can be generated. Specifically, in this embodiment, the refractive index of the olefin polymer resin is substantially constant from the terahertz region to the visible region, and the generated terahertz light vortex becomes a high-purity optical vortex over a wide band. Since the olefin polymer resin can be prepared with a mold, it is easy to process, can be formed into a continuous spiral shape, and the phase modulation can be made smooth.
ここで実際に連続螺旋型位相板を作成し、その効果を確認した。以下具体的に説明する。 Here, a continuous spiral phase plate was actually created and the effect was confirmed. This will be specifically described below.
まず、下記式で示される化合物からなり図３に示す透過率を有するオレフィンポリマー樹脂を用い、上記図２で示される形状の連続螺旋型位相板を作成した。この連続螺旋型位相板の寸法は、直径２ｃｍ、段差厚みは約２９０μｍとした。この結果作成した位相板の写真図を図４に示す。 First, a continuous spiral phase plate having the shape shown in FIG. 2 was prepared using an olefin polymer resin made of a compound represented by the following formula and having the transmittance shown in FIG. The continuous spiral phase plate had a diameter of 2 cm and a step thickness of about 290 μm. A photograph of the resulting phase plate is shown in FIG.
ついで、図５で示されるように、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー（波長１０６４ｎｍ、繰り返し周波数１ＭＨｚ、パルス幅７．４ｐｓ、出力１４Ｗ）及びＤＡＳＴ結晶を含む光学系を用いてテラヘルツ帯差周波を発生させ、さらにコリメータを用いて平行光にした後、上記連続螺旋型位相板に照射し、その光をテラヘルツ帯に対応したカメラで撮影した。この結果を図６に示しておく。本図は、光学系の調整によって発生させた２ＴＨｚ（ｍ＝１）、４ＴＨｚ（ｍ＝２）、６ＴＨｚ（ｍ＝３）それぞれのテラヘルツ光渦のビームファイルを示すものである。また、図７には、位相板の向きを変え、トポロジカルチャージｍの符号を逆にした場合の結果を示す。 Next, as shown in FIG. 5, a terahertz band difference frequency is generated using an optical system including an Nd: YVO4 laser (wavelength 1064 nm, repetition frequency 1 MHz, pulse width 7.4 ps, output 14 W) and DAST crystal, After collimated light using a collimator, the continuous spiral phase plate was irradiated and the light was photographed with a camera corresponding to the terahertz band. The result is shown in FIG. This figure shows beam files of terahertz light vortices of 2 THz (m = 1), 4 THz (m = 2), and 6 THz (m = 3) generated by adjusting the optical system. FIG. 7 shows the results when the direction of the phase plate is changed and the sign of the topological charge m is reversed.
これらの結果からわかるように、ビーム中央に光渦特有の暗点すなわち位相特異点をはっきり確認することができた。すなわち、ガウシアンテラヘルツビーム帯光渦で発生させていることが確認できた。 As can be seen from these results, a dark spot peculiar to the optical vortex, that is, a phase singularity was clearly confirmed in the center of the beam. In other words, it was confirmed that the light was generated by a Gaussian terahertz beam band optical vortex.
本発明は、光渦発生装置及びこれに用いられる連続螺旋型位相板並びに光渦発生方法として産業上の利用可能性がある。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has industrial applicability as an optical vortex generator, a continuous spiral phase plate used therefor, and an optical vortex generation method.
Claims (3)
１０μｍ以上３００μｍ以下の波長範囲における透過率が６０％以上であり、
一方の面が、中心軸に垂直な面に沿った直線が前記中心軸を中心に一周回転しつつ厚み方向に移動することにより無段階の連続的な螺旋が形成された面であり、
他方の面が平面である連続螺旋型位相板。 A continuous spiral phase plate composed of an olefin polymer resin having transparency in a visible region from a terahertz band of 1.2 THz to 12 THz ,
The transmittance in the wavelength range of 10 μm or more and 300 μm or less is 60% or more,
One of the surfaces is a surface in which a straight line along a surface perpendicular to the central axis moves in the thickness direction while rotating around the central axis in the thickness direction, thereby forming a continuous spiral without any step.
A continuous spiral phase plate whose other surface is a flat surface.
前記レーザー光をコリメートさせるコリメータと、
入射されるコリメートされた前記レーザー光を光渦に変化させる連続螺旋型位相板と、を有する光渦発生装置であって、
前記連続螺旋型位相板は、
１．２ＴＨｚ以上１２ＴＨｚ以下のテラヘルツ帯域から可視領域において透過性を有するオレフィンポリマー樹脂により構成される連続螺旋型位相板であって、
１０μｍ以上３００μｍ以下の波長範囲における透過率が６０％以上であり。
一方の面が、中心軸に垂直な面に沿った直線が前記中心軸を中心に一周回転しつつ厚み方向に移動することにより無段階の連続的な螺旋が形成された面であり、
他方の面が平面である連続螺旋型位相板である、光渦発生装置。
A laser light source for generating terahertz laser light;
A collimator for collimating the laser beam;
An optical vortex generator having a continuous spiral phase plate that changes the incident collimated laser light into an optical vortex ,
The continuous spiral phase plate is
A continuous spiral phase plate composed of an olefin polymer resin having transparency in a visible region from a terahertz band of 1.2 THz to 12 THz,
The transmittance in the wavelength range of 10 μm or more and 300 μm or less is 60% or more.
One of the surfaces is a surface in which a straight line along a surface perpendicular to the central axis moves in the thickness direction while rotating around the central axis in the thickness direction, thereby forming a continuous spiral without any step.
An optical vortex generator, which is a continuous spiral phase plate whose other surface is a flat surface.
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