JPS6314104A - 光放射ビ−ムを偏光する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 この発明は、偏光方法および偏光装置に関するものであ
シ、特に光ビームの伝播方向に伸びる軸に関して半径方
向あるいは接線方向（方位角方向）に偏光された光ビー
ムを生成するための方法および装置に関する。

〔発明の背景〕

自然光は一般に偏光されておらず、各種の偏光状態の光
の波が存在しており、極端な場合は面（直線）偏光と円
偏光とをもった一般に楕円偏光であることはよく知られ
ている。さらに、自然光を全部あるいは部分的ζこ偏光
された光に変換することのできる各種の偏光装置も知ら
れている。

面偏光された光波、カルテシアン座標系のＸ方向に並行
に振動し、Ｚ軸に涜って伝播する電気的ベクトルＥは次
式によって表わすことができる。

Ｅｘ＝”Ｏｘ　５ｉｎ（ωｔ−ｋｚ）　、　　Ｅｙ＝０
ここで、 Ｅｘ％ＥｙはＸおよびｙ方向の各成分を表わす、Ｅｏｘ
は光の波の振幅。

ω＝２πνは光の波の角周波数、 νは光の周波数、 ｋ＝２７ｒ／λ って表わされる。

Ｅ　＝Ｅ　　−ｓｉｎ　（ωｔ−ｋｚ）Ｘ　　・　０Ｘ Ｅｙ＝Ｅｏｙ“Ｃ０３（ωｔ−ｋｚ） ここで、 Ｅｏｘ＝Ｅｏｙ＝Ａ Ａは振幅である。

上の式は、光の波の偏光はＸおよびｙには無関係である
こと、すなわち電気的ベクトルＥはｘｙ面の各点におい
て、２＝一定で、同じ方向にあることを示している。実
１次の設定条件によって、普通は対称な円筒形式の材料
と光との相互作用について研究する者にとっては、光ビ
ームの横断面を横切る元の波の電気的ベクトルの方向の
７円筒状対称７分布を持つこと、換言すれば、ビームの
横断面の任意の点で、電気的ベクトルが、Ｚ軸に一致す
ると仮定された軸に関して半径方向あるいは接線方向（
方位角方向）のいずれかをもつような分布をもつことが
望ましい。例えば、このような分布はレーザー光と円形
プラズマとの相互作用を研究するための実験の解析が容
易になり、また、光の波の磁界分布は光が半径方向ある
いは接線方向に偏光されているときは全く異なるので、
面、楕円、あるいは円形偏光された光、あるいは非偏光
を使用して得られる効果とは全く異った新しい効果を得
ることができる。

〔発明の概要〕

この発明の目的は、部分的にあるいは全体的に半径方向
あるいは接線方向に偏光された光ビームを発生するため
の方法および装置を提供することを目的とする。この発
明の実施例によれば、光ビームの偏光の所望の半径方向
あるいは接続方向の成分は少なくとも１個の円錐面ある
いは異った屈折率をもった１対の光学的媒体（ガラスあ
るいは／１５芙と空気）間の界面における相互作用（反
射、伝導）によって生成される。好ましい実施例では、
面または各面には偏光選択被膜が形成されており、装置
はビームの光学路中の偶数個の対向した円錐面を有して
いる。

以下、図示の実施例によってこの発明の詳細な説明する
。

この発明の原理は第１図に示す偏光装置を参照すること
により容易に理解することができる。第１図の装置はア
キシコン（Ａｘｉｃｏｎ　）として知られる円錐表面を
もった３個の回転可能な対称な本体からなり、これらは
光学軸１ｏに沿って第１すなわち入口円錐体１２、中間
すなわち２重円錐体１４、および第３すなわち出口円錐
体１６が間隔を保って同軸的に配置されている。３個の
回転可能な円錐体１２．１４．１６は光の波に対して透
過性の材料で作られており、屈折率ｎを持っている。光
学軸１ｏに対する法線と各円−面の母線との間の角度は
３個すべてに対して同じ値ｉをもっている。円錐体１２
．１６の円錐表面に隣接する円筒状部分は装置の機能に
は必須ではなく、それらは単に製造期間中の組立が容易
で、しかも容易に使用できるようζこ機能するものであ
る。すべての円錐体の軸は光学軸１０と一致するように
調整される。第１図に示すように、平行な入力光ビーム
１８は入口円錐体１２の前面１２ａの平面と直角に右か
ら入射し、その円錐体の中に侵入すると仮定する。ビー
ムは円錐表面１２ｂから現われ、図示のように各光線は
スネルの方則に従って軸１０に向けて／ｌされる。図示
のように、２重円錐体１４の入力側頂点が、入口側円錐
体１２から現われる周辺すなわち縁部の光線２２．２４
が２重円錐体１４の反対側の頂点に丁度入射するように
入口側円錐体１２の出口側頂点からの位置に配置されて
いると、２重円錐体内で再び平行な光ビーム１８ａが生
成される。しかしながら、この平行な光ビーム１８ａは
入口側円錐体１２に侵入するビーム１８の強度と全く異
った強度分布をもっている。すなわち、入力側ビーム１
８がその断面に沼って一定の強度工。をもっていると、
内径がｒで、半径方向の幅ｄｒの環状の表面を通過する
光束Ｐは、Ｐ（ｒ）−工０２πｒｄｒによって与えられ
る。小径ｒ１と大径ｒ２をもった環状断面を比較すると
、これらの環状表面を通過する光束はその半径ｔ−，比
例することが判る。

しかしながら、２重円錐体１４に入る光束は、大きな環
状領域から小さな環状領域へ圧縮され、一方、小さな環
状領域からの光束は第１図に示すように大きな環状領域
の中に薄くなって入り込む。

装置が対称に構成されていることにより、２重円錐体１
４の出口と出口側円錐体１６への入口において、入口側
円錐体１２からの出口と２重円錐体１４への入口におけ
る状態と同じ状態が現われる。従って、対称性によって
第１の反転を補償する強度分布の第２の反転が生じ、出
口側円錐体１６内において再度断面に沿って一定の強度
が得られる。これは出口側円錐体の出口側の表面１６ａ
から現われるビームに対しても一定の強度であることは
言う迄もない。従って、上述の装置が望遠鏡あるいは同
様な光李装置の長い筒状のビーム通路中に配置されてお
れば、またより多数の界面による高い反射損失を無視す
れば、イメージ上の効果は、あたかも平行な表面をもっ
た平面が存在するのと同じようになる。

しかしながら、それはこの発明の装置の特別な偏光特性
に対して応答可能な装置の円錐状光学的界面における偏
光選択反射損失および伝送関数となる。

第１図の装置の説明に当って、円錐体１２．１４．１６
は屈折率ｎ＝１．４８の石英ガラス（溶融石英）でに等
しく、すなわち約３４°であると仮定する。石英円錐体
と周囲の空気との間の円錐界面に入る光線は屈折される
と共に偏光−選択的に反射され、さらに周知のフレネル
式に従って伝送される。入射面と平行に振動する電気的
ベクトルの成分、いわゆるｐ偏光成分は、界面が円錐形
であるために光学軸１０に対して半径方向に偏光され、
次のように゛ｒ−偏光された゛と称される。同様に、入
射面に直角に偏光された成分は常に接線方向すなわち方
位角方向に偏光された成分で、＋ｊ　ｐ−偏光された１
“と称される。３４°の円錐角は石英−空気界面のブリ
ュースター角であるので、ｒ−偏光されたビームは反射
損失なしに自由に伝送され、一方３４°の入射角をもっ
たｐ−偏光された光の１４％は各円錐面で反射され、従
って円錐面における伝送率Ｔは０．８６になる。第１図
の装置は４個の円錐〜界面からなるので、装置の全体の
伝送率は’　Ｔｇｅｓ＝　０．８６’　＝　０．５５に
なる。この形式の幾つかの装置が従続的に使用されると
、高い含有量のｒ−偏光成分をもった所望の出力ビーム
が得られる。従って、第２図に示すように出力ビーム１
８ｂは、その断面を横切る電気的ベクトルの半径方向の
分布をもった偏シをもつ。

この発明による装置のより経済的で好ましい実施例では
、偏光の一方の成分の反射率を太きくし、偏光の他の成
分の屈折率を小さくするために、極性選択性多層誘電体
被膜が設けられている。このような多層誘電体被膜（制
限されたスペクトル範囲内で有効である）は周知であり
、例えば市販の偏光レーザー・ビーム分割器で使用され
ている。

これについては、例えば「アプライド　オプティックス
（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）　Ｖｏｌ、　２３．
　ＮＩＩＬ９　、１９８４年５月１日の第１２９６頁乃
至第１２９８頁に示されている。これらの多層被膜の設
けられた装置を使用すると、偏光の選択された成分に対
しては９９％以上、偏光の非選択成分に対しては１０％
以下の伝送率が同時に容易に得られる。

従って、第１図の装置の４個の円錐面の各々に偏光選択
性の誘電体多層被膜３０．３２．３４．３６が設けられ
ていると、装置は偏光の一方の選択された成分に対して
９６％以上の伝送率を呈し、他方の非選択成分に対して
１０−４以下の伝送率を呈する。

このようにして、自然光の入力ビームを、多層被膜３０
．３２．３４．３６の偏光選択により、すべて半径方向
（第２図）あるいはすべて接線方向（第３図）の出力ビ
ーム１８ｂｉこ変換することのできる偏光装置を得るこ
とができる。第３図の接線方向の偏光を表わす矢印はこ
の形式の偏光を判り易く表わす目的のみで湾曲して示さ
れているが、正確には接線方向に配向された２重矢印の
無限に短かい無限数の直線で表わされる。

上記の説明では、入力光ビーム１８は自然光（非偏光）
からなり、これから第２図あるいは第３図に示すような
偏光状態をもった出力光ビームが生成されると仮定した
。しかし、これ以外の入力元ビームを使用することがで
き、これからすべであるいは部分的に従来通りに偏光さ
れた出力光ビームを得ることができることは言う迄もな
い。このようにして出力光ビームの興味ある状態が得ら
れる。すなわち、入力光ビームがＸ方向の偏光面にある
とき、第１図の偏光装置がｒ−偏光器（半径方向成分を
選択する）か、を−偏光器（接線方向成分を選択する）
かに従って、第４図あるいは第５図に示す偏光状態をも
った出力光ビーム１８ｂを生成することができる。ｒ−
偏光の場合、電気的ベクトルＥの振幅は、第４図乃至第
７図で水平方向と仮定されているＸ方向で、ｙ軸（第４
図乃至第７図で垂直方向に伸びていると仮定されている
）のＯから最大値にまで増大する。

接線方向の偏光装置を使用すると、第５図に示す出力光
ビームの偏光パターンが得られる。すなわち、電気的ベ
クトルＥの接線方向成分はｙ軸方向にＸ軸上における０
からｙ軸の端部における最大値にまで増大する。

時計方向（右手方向）に円形偏光された入力光ビームを
使用すると１本題発明の半径方向偏光装置によれば、第
６ａ図乃至第６ｃ図に示すような偏りをもった出力光ビ
ームを発生させることができる。ビームの断面における
電気的ベクトルの振幅パターンは第４図のパターンに対
応するが、このパターンは入力光ビームと同じ方向に光
の角周波数で回転する。第６ａ図、第６ｂ図、第６ｃ図
はそれぞれ角周波数のＯ，′／６、ン２の値に対するス
ナップ図である。予め定められた時間の点では、偏光パ
ターンの角方向は、２方向に清って光の１波長だけ進む
とき、３６０度だけ変化する。

時計方向に円偏光されたビームがこの発明による接線方
向偏光装置を横断するときも同様な結果が得られる。す
なわち、第７ａ図、第７ｂ図、第７Ｃ図に示すような光
の波の角周波数で回転する第５図によるパターンが得ら
れる。

円偏光入力波を用いると、電気的ベクトルの絶対値（モ
ジュラス）は面２＝一定の各所定点において時間に無関
係になるが、元の角周波数と共に回転する。しかしなが
ら、第６図および第７図に示す偏光状態の場合は、一定
の振幅および周波数をもった高調波振動が出力ビームの
所定断面の各点において存在し、電気的ベクトルの方向
は半径方向あるいは接線方向のいずれかとなり、高調波
振動の位相はある点からそれに隣接する点との間で異な
り、上述の電気的ベクトルのフィールド・パターンの回
転が得られる。

この発明によって与えられる新しい形式の偏光は多くの
新しい応用例がある。その−例を、１９８４年１１月２
０日付は出願の米国特許出願筒６７３，６１５号（特開
昭６０−１４３６００号に対応）に関連する第８図を参
照して説明する。第８図の装置は、平面状の光入射面と
円錐形の光出口面４２とを有する円錐形光学部材すなわ
ちアキシコン（ａｘｉｃｏｎ　）　４０からなり、これ
は光学軸１０と同軸に配置されており、且つｔ−偏光さ
れた光に対して反射防止被膜が形成されている。アキシ
コン４０の頂点に隣接してその軸１０上に比較的小径の
円筒形の棒状ターゲット４４が配置されている。アキシ
コン４０に対する充分な強度をもった入射光ビーム１８
ｂは、を−偏光用に設計された第１図に示す形式の偏光
装置に円偏光された元ビームを入射ビーム１ｓｂとして
投射することによって生成される。従って、第８図のア
キシコン４０の入射ビーム１８ｂである第１図の装置の
出口側ビームは第７ａ図乃至第７ｃ図に関連して述べた
ように偏光される。ターゲット４４はアキシコン４０の
円錐形表面４２から出てくる集束光線によって照射され
、ビームの強度が充分であれば、ターゲットは熱プラズ
マに変換される。電気力線は接線方向（方位角方向）に
向いているので、すべてのイオンおよび電子は急速に拡
散するのが防止され、従ってプラズマの冷却が防止され
る円形通路に制限される。これはＸ線レーザーのボンピ
ング用として最も重要である。

上述の実験を半径方向の偏光について行なうと、状態は
すべて反対になる。これによると、プラズマの所謂共振
吸収の研究を明確に説明することができる。共振吸収は
、円筒形ターゲットの場合にはｒ−偏光に対応するｐ−
偏光とのみ平面ターゲットにおいて生ずる。第８図のタ
ーゲット４４はまた第１図の２重円錐体の出口側に配置
することもできる。入力ビーム１８はその断面を横切っ
て一様な振幅をもっておれば、２重円錐体１４内の強度
分布は均一でない（変化させられている）、すなわち軸
の近くで強度が非常に高くなることを第１図の実施例を
参照して説明した。これによると、入力ビーム、例えば
強いレーザー・ビームが予め定められた強度の値を越え
ると、２重円錐体を破壊する可能性がある。しかしなが
ら、これは一般に小さな出力をもったレーザー発掘器の
後のビーム通路中に偏光装置を設け、この偏光装置の半
径方向あるいは接線方向に偏光された出カビ、−ムを１
あるいはそれ以上のレーザー増幅段で増幅して、所望の
強度の偏光ビームを発生させることによシ避けることが
できる。この方法によれば、安価な比較的小径の偏光装
置を使用することができるという別の効果もある。別の
あるいは特別な装置として、近軸領域に放射の無い空胴
放射ビームを使用することもできる。

上述の実施例は単なる代表的な例で、特許請求範囲に記
載された技術的範囲内で各種の点で変更可能なことは言
う迄もない。出力ビーム中の強度分布があまり重要でな
ければ、２重円錐体１４を省略することもできる。この
場合、出口側円錐体１６の円錐形入射面３６は、２重円
錐体の円錐形入口表面３２の位置に配置される。特別な
条件の下では、円錐体１２のような単一の円錐体で充分
であり、この場合は、この円錐体は例えば第８図の円錐
体４０の機能を果し、その円錐面に偏光選択性被膜を設
けることが望ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は円筒形の対称偏光ビームを生成するための好ま
しい装置の軸に沿う断面図、 第２図は半径方向に偏光された場合の出力ビームと非偏
光入力光ビームに対する第１図による装置の出力ビーム
中の電気的ベクトルＥの発振の方向の分布と振幅を示す
概略図。 第３図は接線方向に偏光された出力ビームについての第
２図と同様な電気的ベクトルＥの発振の方向の分布と振
幅を示す概略図、 第４図および第５図はＸ方向に再偏光された入力ビーム
に対する第２図および第３図に対応する電気的ベクトル
Ｅの発振の方向の分布と振幅とを示す概略図、 第６ａ図、第６ｂ図、第６ｃ図、および第７ａ図、第７
ｂ図、第７Ｃ図は右手方向に円偏光された入力ビームに
対する第２図および第３図に対応する電気的ベクトルＥ
の発振の方向の分布と振幅とを示す概略図、 第８図はこの発明の好ましい実施例を示す概略図である
。 １０・・・光学軸、１２．１４．１６・・・円錐体、１
８・・・入力ビーム、１８ａ・・・平行光線ビーム、１
８ｂ・・・光ビーム、２２．２４・・・周縁光線、３０
，３２．３４．３６・・・偏光選択誘電体多層被膜、４
０・・・アキシコン。 ４２・・・円錐状光出口面、４４・・・筒状ターゲット
。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）光放射ビームを、異なつた屈折率をもつた１対の
   光学的媒体間の少なくとも１個の円錐形界面に作用させ
   て、軸に関して半径方向の偏光成分を選択する、上記軸
   に沿つて伝播する光放射ビームを偏光する方法。
2. （２）光放射ビームを、異なつた屈折率をもつた１対の
   光学的媒体間の少なくとも１個の円錐形界面に作用させ
   て、軸に関して接線方向の偏光成分を選択する、上記軸
   に沿つて伝播する光放射ビームを偏光する方法。
3. （３）光放射に対して透過性の材料で作られ、軸を有す
   る円錐面をもつた少なくとも１個の本体からなり、上記
   円錐面はその軸が光学軸と平行になるように光放射ビー
   ム通路中に配置され、上記円錐面には偏光選択性被膜が
   形成されている、上記光学軸をもつたビーム通路に沿つ
   て伝播する光放射ビームを偏光するための偏光装置。
4. （４）光放射に対して透過性の材料で作られた少なくと
   も２個の本体からなり、各本体は光学軸と同軸の円錐面
   を有し、隣接する本体の円錐面は反対向きで且つ上記光
   学軸に沿つて間隔を保つた関係で配置されている、上記
   光学軸をもつたビーム通路に沿つて伝播する光放射ビー
   ムを偏光するための偏光装置。
5. （５）平面状光入射面と円錐状光出口面とを有する第１
   の円錐体と、１対の反対向きに配置された円錐面を有す
   る第２の本体と、該第２の本体と対向する円錐表面と平
   面状出口表面とを有する第３の本体とを、上記の順序で
   光学軸に沿つて同軸的に配置して構成された特許請求の
   範囲第４項記載の偏光装置。
6. （６）各円錐面には偏光選択被膜が形成されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載の偏光装置。
7. （７）各円錐面には偏光選択被膜が形成されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の偏光装置。
8. （８）１対の反対向きの円錐面間の距離は、これらの円
   錐面の一方から出るビームの周縁光線が、他の円錐面に
   両円錐面の間でそのビーム自体が交差することなく入り
   込むように選択されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載の偏光装置。
9. （９）１対の反対向きの円錐面間の距離は、これらの円
   錐面の一方から出るビームの周縁光線が、他の円錐面に
   両円錐面の間でそのビーム自体が交差することなく入り
   込むように選択されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第５項記載の偏光装置。
10. （１０）円錐面間の距離は、周縁から出る光線は他の円
    錐面の頂部を照射するように選択されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第８項記載の偏光装置。
11. （１１）楕円（平面および円形を含む）偏光された光の
    ビームを生成するための偏光手段を含み、この偏光手段
    は上記本体に先行するビーム通路中に配置されているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の偏光装置。
12. （１２）光放射に対して透過性の材料で作られ、頂点を
    有する円錐形の光出口面と、光学軸と同軸の軸とを有す
    る少なくとも１個の本体と、上記円錐面上に形成された
    偏光選択被膜と、上記円錐面の頂点において上記光学軸
    上に配置された円筒状ターゲットとからなる、光学軸に
    沿つて伝播する光放射ビームを偏光するための偏光装置
    。
13. （１３）光学軸と円錐面の母線との間の角度はブリュー
    スター角に相当することを特徴とする特許請求の範囲第
    ４項記載の偏光装置。
14. （１４）光学軸と円錐面の母線との間の角度はブリュー
    スター角に相当することを特徴とする特許請求の範囲第
    ５項記載の偏光装置。
15. （１５）光学軸と円錐面の母線との間の角度はブリュー
    スター角に相当することを特徴とする特許請求の範囲第
    １２項記載の偏光装置。
16. （１６）円錐体の１つへ送られる中空入力ビームを生成
    する手段が設けられていることを特徴とする特許請求の
    範囲第３項記載の偏光装置。
17. （１７）光入口面に中空入力ビームを照射するための手
    段を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
    の偏光装置。