JPWO2007013648A1 - Optical vortex generator, micro object operating device, astronomical exploration device, and polarized vortex transducer - Google Patents

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Abstract

コヒーレント光を円偏光に変換する第１の光学系と、この第１の光学系から射出される円偏光が入射するように配置された偏光渦変換素子と、この偏光渦変換素子から射出される光が入射するように配置された第２の光学系とにより光渦発生装置を構成する。偏光渦変換素子は、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつその上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものである。第２の光学系は、偏光渦変換素子から射出される光から上記の円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出する。A first optical system that converts coherent light into circularly polarized light, a polarization vortex conversion element that is arranged so that circularly polarized light emitted from the first optical system is incident thereon, and is emitted from the polarization vortex conversion element An optical vortex generator is constituted by the second optical system arranged so that light enters. The polarization vortex conversion element has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the coordinate center, and The azimuth angle of the principal axis of each of the above points is proportional to the azimuth angle of the coordinates. The second optical system extracts a circularly polarized component having a direction opposite to the circularly polarized light from the light emitted from the polarization vortex conversion element.

Description

この発明は、光渦発生装置ならびに光渦を用いる微小物体操作装置および天体探査装置ならびにこの光渦発生装置に用いて好適な偏光渦変換素子に関する。  The present invention relates to an optical vortex generator, a minute object manipulating device and an astronomical exploration device using the optical vortex, and a polarization vortex conversion element suitable for use in the optical vortex generator.

光渦はらせん状の波面（位相分布）を有する光（光束）である。光渦では、光軸（光の進行軸）に垂直な面内に光軸を中心とする円を考えた場合（第１図Ａ）、この円上の各点の光の位相は方位角Θに比例する（第１図Ｂ）。光渦は、光軸の周りに量子化された軌道角運動量（トルク）を有し、また、光軸に沿って暗線（光強度が０となる線）を有することが特徴である。この軌道角運動量は一光子当たりＬ＝ｌ（ｈ／２π）（ただし、ｈはプランク定数、ｌは量子数で任意の整数を取る）である。一例としてｌ＝−１の光渦を第２図に示す（例えば、Ｍｉｌｅｓ Ｐａｄｇｅｔｔ，Ｊｏｈａｎｎｅｓ Ｃｏｕｒｔｉａｌ，ａｎｄ Ｌｅｓ Ａｌｌｅｎ，Ｍａｙ ２００４ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ ３５参照。）。第２図中の矢印はポインティング・ベクトルを示す。
上記のような光渦の特異な性質を使うと、例えば、光トラップされた微粒子の回転、リング状結晶やカーボンナノチューブなどの円環・円筒構造を持つナノ物質の光励起、太陽系外惑星探査のためのコロナグラフ（強力な恒星光を暗線を使って消し、光軸からずれた微弱な惑星光を検出する）などが可能となる。このため、様々な分野で、この光渦の性質を積極的に利用する試みが精力的に行われている。
従来、光渦の発生方法としてはいくつかの方法が提案されている。第１の方法はシリンドリカルレンズ対を用いる方法である（例えば、Ｍｉｌｅｓ Ｐａｄｇｅｔｔ，Ｊｏｈａｎｎｅｓ Ｃｏｕｒｔｉａｌ，ａｎｄ Ｌｅｓ Ａｌｌｅｎ，Ｍａｙ ２００４ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ ３５参照。）。この方法では、第３図に示すように、π／２モード変換器を構成するシリンドリカルレンズ対１０１に高次モード（Ｈｅｒｍｉｔｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎ（ＨＧ）モード）のレーザ光１０２を入射させて低次モード（Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎ（ＬＧ）モード）に変換し、さらにこれをπモード変換器を構成するシリンドリカルレンズ対１０３に入射させて逆ＬＧモードに変換することにより光渦１０４を発生させる。実用的には、シリンドリカルレンズ対１０３の代わりに、第４図に示すようなダブ（Ｄｏｖｅ）プリズムを用いるのが簡便である。
第２の方法はらせん状の厚さ分布を有するガラス板を用いる方法である。この方法では、第５図に示すように、レーザ装置１１１から射出されるレーザ光１１２を二枚のレンズ１１３ａ、１１３ｂからなるコリメータ１１３に通して平行光束とし、これをらせん状の厚さ分布を有するガラス板１１４に通すことにより光渦１１５を発生させる。第６図にガラス板１１４の一例を示す。第６図に示すように、このガラス板１１４では、厚さ、従って光の透過距離が方位角θに対してｈ０からｈ０＋ｈｓに変化する、らせん状の分布を有しており、これを反映して透過光の位相分布もらせん状になる。
第３の方法はらせん状の厚さ分布を有する反射鏡を用いる方法である。この方法では、第５図において、ガラス板１１４の代わりにこの反射鏡を用いる。この反射鏡では、この鏡の高さ分布がらせん状になっていることを反映して反射光の位相分布もらせん状になる。
第４の方法はホログラフィを用いる方法である（例えば、Ｍｉｌｅｓ Ｐａｄｇｅｔｔ，Ｊｏｈａｎｎｅｓ Ｃｏｕｒｔｉａｌ，ａｎｄ Ｌｅｓ Ａｌｌｅｎ，Ｍａｙ ２００４ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ ３５参照。）。この方法では、屈折率の分布がらせん状になっており、これを反映して透過光の位相分布もらせん状になっているホログラムを用いる。このホログラムとしては、例えば、三重の転位ホログラムを用いる。そして、このホログラムに平面波を入射させることにより、一次回折光として光渦を発生させる。
Ｇａｂｒｉｅｌ Ｂｉｅｎｅｒ，Ａｖｉ Ｎｉｖ，Ｖｌａｄｉｍｉｒ Ｋｌｅｉｎｅｒ，ａｎｄ Ｅｒｅｚ Ｈａｓｍａｎ，ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，２７，１８７５（２００２）には、Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ位相光学素子を用いてらせん状ビーム、すなわち光渦を発生する方法が提案されているが、この発明による光渦発生装置の構成については開示されていない。
上述の従来の光渦発生方法では、位相の不連続線がほぼ必ず存在し、これが雑音発生の原因になることにより、光渦の応用の上で障害の一つとなっていた。例えば、第６図に示すような厚さ分布を有するガラス板１１４を用いる場合には、中心軸の周りに一周したときの位相変化幅は２π［（ｎ−１）ｈＳ／λ］（ただし、ｎはガラス板１１４の屈折率、λはレーザ光１１２の波長）となる。この値を２πの整数倍に正確に合わせるには、ガラス板にｎｍクラスの精度での加工を施すことが必須となる。これは極めて困難であり、結果として位相の不連続線の存在が不可避となる。
また、上述の従来の光渦発生方法では、得られる光渦の軌道角運動量が波長によって大きく変化する欠点がある。例えば、第６図に示すような厚さ分布を有するガラス板１１４を用いる場合、中心軸の周りに一周したときの位相変化幅は２π［（ｎ−１）ｈＳ／λ］であり、ｎの波長依存性を無視しても波長λに反比例して大きく変化する。具体的には、例えば、ガラス板１１４にλ＝６００ｎｍ（赤）の光を透過させた場合において、一周したときの位相変化幅が２π×１．２である場合には、λ＝４５０ｎｍ（青）の光を透過させると、一周したときの位相変化幅は２π×１．６となり、両者は位相変化幅が大きく異なる。これは両者の光渦の軌道角運動量が互いに大きく異なることを意味する。この欠点は光渦の応用の上で大きな障害となっていた。例えば、微小粒子の光励起に、尖頭値強度が高い超短パルスレーザにより得られる光渦を使おうとしても、従来のパルスレーザでは得られる光スペクトルが広いため、光渦の軌道角運動量がぼけて光励起の効率の低下が避けられない。また、天文学で太陽系外惑星探査に光渦を利用する場合にも、微弱な惑星からの光を有効活用するためには広い波長帯域の光を用いることが求められるが、この場合も上記の波長依存性は探査精度の低下の原因となる。
さらに、この軌道角運動量が、すなわち光渦の位相の変化幅が、波長にほぼ反比例して強く依存するという事実は、上記の位相の不連続線の問題をさらに顕著にする。中心軸の周りに一周したときの位相変化量が波長におおよそ反比例するため、たとえある特定の波長でこの位相変化量が２πの整数倍に一致したとしても、そのほかの波長では２πの整数倍には一致できず、時として非常に大きな位相の不連続量を持ち得ることとなる。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、新規な動作原理に基づき、光源の波長によらずアクロマティックでしかも位相の不連続線が存在しないか、存在するとしても不連続線での位相の段差の波長依存性が極めて小さい光渦を容易に発生させることができる光渦発生装置ならびにこの光渦発生装置を応用した微小物体操作装置および惑星探査装置などの天体探査装置を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の光渦発生装置に用いて好適な偏光渦変換素子を提供することである。The optical vortex is light (light flux) having a spiral wavefront (phase distribution). In the optical vortex, when a circle centered on the optical axis is considered in a plane perpendicular to the optical axis (light traveling axis) (FIG. 1A), the phase of the light at each point on this circle is the azimuth angle Θ. (FIG. 1B). The optical vortex is characterized by having an orbital angular momentum (torque) quantized around the optical axis and a dark line (a line where the light intensity becomes 0) along the optical axis. This orbital angular momentum is L = 1 (h / 2π) per photon (where h is a Planck's constant and l is a quantum number and an arbitrary integer). As an example, an optical vortex with l = −1 is shown in FIG. 2 (see, for example, Miles Padgett, Johannes Coastal, and Les Allen, May 2004 Physics Today 35). An arrow in FIG. 2 indicates a pointing vector.
Using the unique properties of the optical vortex as described above, for example, rotation of light trapped microparticles, photoexcitation of nanomaterials with ring / cylindrical structures such as ring crystals and carbon nanotubes, and exploration of extrasolar planets Coronagraph (extinguish powerful stellar light using dark lines and detect faint planetary light deviating from the optical axis). For this reason, intensive attempts have been made to actively utilize the properties of this optical vortex in various fields.
Conventionally, several methods have been proposed as methods for generating optical vortices. The first method is a method using a cylindrical lens pair (see, for example, Miles Padgett, Johannes Coastal, and Les Allen, May 2004 Physics Today 35). In this method, as shown in FIG. 3, a laser beam 102 in a higher order mode (Hermite-Gaussian (HG) mode) is incident on a pair of cylindrical lenses 101 constituting a π / 2 mode converter and a lower order mode ( Laguerre-Gaussian (LG) mode), and this is made incident on a cylindrical lens pair 103 constituting a π-mode converter and converted into an inverse LG mode to generate an optical vortex 104. Practically, it is convenient to use a Dove prism as shown in FIG. 4 instead of the cylindrical lens pair 103.
The second method uses a glass plate having a spiral thickness distribution. In this method, as shown in FIG. 5, a laser beam 112 emitted from a laser device 111 is passed through a collimator 113 composed of two lenses 113a and 113b to form a parallel light flux, and this has a spiral thickness distribution. The optical vortex 115 is generated by passing the glass plate 114 having the optical vortex 115. An example of the glass plate 114 is shown in FIG. As shown in FIG. 6, in the glass plate 114, the thickness and hence transmission distance of the light is changed to h 0 + h s from h 0 with respect to the azimuth angle theta, has a helical profile, Reflecting this, the phase distribution of the transmitted light also becomes helical.
The third method is a method using a reflecting mirror having a spiral thickness distribution. In this method, this reflecting mirror is used in place of the glass plate 114 in FIG. In this reflecting mirror, the phase distribution of the reflected light is also spiraled, reflecting that the height distribution of this mirror is spiraling.
The fourth method is a method using holography (see, for example, Miles Padgett, Johannes Coastal, and Les Allen, May 2004 Physics Today 35). In this method, a hologram is used in which the refractive index distribution is spiral, and the phase distribution of transmitted light is also spiral reflecting this. As this hologram, for example, a triple dislocation hologram is used. An optical vortex is generated as first-order diffracted light by causing a plane wave to enter the hologram.
Gabriel Biener, Avi Niv, Vladimir Kleiner, and Erez Hasman, OPTICS LETTERS, 27, 1875 (2002) propose a method for generating a helical beam, ie, an optical vortex, using a Pancharatnam-Berry phase optical element. However, the configuration of the optical vortex generator according to the present invention is not disclosed.
In the conventional optical vortex generation method described above, phase discontinuity lines almost always exist, and this causes noise generation, which has been one of the obstacles in the application of optical vortices. For example, when a glass plate 114 having a thickness distribution as shown in FIG. 6 is used, the phase change width when making a round around the central axis is 2π [(n−1) h S / λ] (however, , N is the refractive index of the glass plate 114, and λ is the wavelength of the laser beam 112). In order to accurately match this value to an integer multiple of 2π, it is essential to process the glass plate with nm-class accuracy. This is extremely difficult, and as a result, the presence of phase discontinuities becomes inevitable.
In addition, the conventional optical vortex generation method described above has a drawback that the orbital angular momentum of the obtained optical vortex varies greatly depending on the wavelength. For example, when a glass plate 114 having a thickness distribution as shown in FIG. 6 is used, the phase change width when making a round around the central axis is 2π [(n−1) h S / λ], and n Even if the wavelength dependence is ignored, it varies greatly in inverse proportion to the wavelength λ. Specifically, for example, in the case where light of λ = 600 nm (red) is transmitted through the glass plate 114, when the phase change width after one round is 2π × 1.2, λ = 450 nm (blue ) Is transmitted, the phase change width when it goes around is 2π × 1.6, and the phase change width is greatly different between the two. This means that the orbital angular momentum of both optical vortices is greatly different from each other. This drawback has become a major obstacle to the application of optical vortices. For example, even if an optical vortex obtained by an ultrashort pulse laser with high peak intensity is used for photoexcitation of fine particles, the optical spectrum obtained by a conventional pulse laser is wide, so the orbital angular momentum of the optical vortex is blurred. Therefore, a decrease in the efficiency of photoexcitation is inevitable. Also, when using optical vortices for exploring extrasolar planets in astronomy, it is required to use light in a wide wavelength band in order to effectively use light from weak planets. Dependency causes a decrease in search accuracy.
Further, the fact that the orbital angular momentum, that is, the change width of the phase of the optical vortex depends strongly in inverse proportion to the wavelength, makes the above-mentioned phase discontinuity problem more remarkable. Since the amount of phase change when going around the central axis is roughly inversely proportional to the wavelength, even if this amount of phase change matches an integer multiple of 2π at a specific wavelength, it becomes an integer multiple of 2π at other wavelengths. Can not match and can sometimes have very large phase discontinuities.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is based on a novel principle of operation, and is achromatic and has no phase discontinuity line regardless of the wavelength of the light source. The object is to provide an optical vortex generator capable of easily generating an optical vortex with extremely small wavelength dependency of a step, and an astronomical exploration device such as a micro object manipulation device and a planetary exploration device to which the optical vortex generator is applied. .
Another problem to be solved by the present invention is to provide a polarization vortex conversion element suitable for use in the above-described optical vortex generator.

上記課題を解決するために、第１の発明は、
コヒーレント光を円偏光に変換する第１の光学系と、
上記第１の光学系から射出される円偏光が入射するように配置された偏光渦変換素子であって、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつその上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものと、
上記偏光渦変換素子から射出される光が入射するように配置された第２の光学系であって、上記偏光渦変換素子から射出される光から上記円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出するものとを有することを特徴とする光渦発生装置である。
この光渦発生装置は、装置の外部から入射するコヒーレント光を用いて光渦を発生させる場合、例えば惑星探査において恒星光および惑星光をコヒーレント光として入射させる場合には光源は不要であるが、そうでない場合には、コヒーレント光を発生する光源をさらに有する。この光源としては、典型的にはレーザ光源が用いられるが、これに限定されるものではない。
上記の偏光渦変換素子は、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、その上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものであるが、これは、入射光を一方向の直線偏光に変換する通常の偏光子や、入射光を長軸方向が一方向の楕円偏光に変換する通常の移相子などとは異なる特殊なものである。ここで、偏光渦とは、座標の同一半径上において、同一の楕円率を持った楕円偏光（直線偏光や円偏光を含む）となっており、その偏光の楕円の長軸の方位角が座標の方位角に比例するものである。直線複屈折性および／または直線二色性を有するとは、直線複屈折性または直線二色性の少なくともいずれか一方を有することを意味するが、円複屈折性や円二色性をさらに有してもよい。また、各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するとは、各点ごとに偏光特性を記述するための座標軸の方向が異なっていることを意味する。この偏光渦変換素子の上の各点の主軸の方位角をφ、座標の方位角をθとしたとき、φ＝ｎθ／２（ただし、ｎは０を除く整数）である。
この光渦発生装置においては、偏光渦変換素子を透過した光は、偏光方向が光軸を中心に渦を巻く、すなわち偏光渦となる（このとき光軸が特異点となる）。そして、この光が第２の光学系を透過すると、光軸を中心に波面が渦状になり、光渦が得られる。こうして発生される光渦の各点の位相は、偏光渦変換素子の各点の方位角で決まり、光源の波長によらない。また、使用する偏光渦変換素子にもよるが、らせん状の厚さ分布を有するガラス板などを用いる従来の光渦発生方法のように位相の不連続線が発生することがないか、発生するとしても不連続線での位相の段差の波長依存性は極めて小さい。
この偏光渦変換素子としては種々のものを用いることができる。具体的には、例えば、光弾性材料を用いたもの、液晶などの複屈折性を有する媒質を用いたもの、複数の楔形偏光板を放射状に配置したもの、コヒーレント光の波長より小さい間隔の放射状方位の周期構造を有するものなどである。ここで、光弾性材料あるいは液晶などの複屈折性を有する媒質を用いた偏光渦変換素子は直線複屈折性を有し、複数の楔形偏光板を放射状に配置した偏光渦変換素子は直線二色性（ただし、一方の成分は完全に減衰させる）を有し、コヒーレント光の波長より小さい間隔の放射状方位の周期構造を有する偏光渦変換素子は直線複屈折性および直線二色性を有する。
第１の光学系は、コヒーレント光を円偏光に変換することができる限りその構成は問わないが、具体例を挙げると、コヒーレント光を一方向の直線偏光に変換する偏光子とこの偏光子の後段の１／４波長板とを有するものや、円二色性を有する材料を用いたものなどである。また、第２の光学系は、上記の偏光渦変換素子から射出される光から、上記の円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出することができる限りその構成は問わないが、具体例を挙げると、上記の偏光渦変換素子から射出される光が入射する１／４波長板とこの１／４波長板の後段の検光子とを有するものである。
第２の発明は、
コヒーレント光を円偏光に変換する第１の光学系と、
上記第１の光学系から射出される円偏光が入射するように配置された偏光渦変換素子であって、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつその上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものと、
上記偏光渦変換素子から射出される光が入射するように配置された第２の光学系であって、上記偏光渦変換素子から射出される光から上記円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出するものとを有することを特徴とする微小物体操作装置である。
この微小物体操作装置では、第１の発明による光渦発生装置と同様な構成により光渦を発生させ、この光渦により微小物体、例えば微小粒子（原子など）を光トラップして回転させることができる。
この第２の発明においては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
第３の発明は、
コヒーレント光を円偏光に変換する第１の光学系と、
上記第１の光学系から射出される円偏光が入射するように配置された偏光渦変換素子であって、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつその上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものと、
上記偏光渦変換素子から射出される光が入射するように配置された第２の光学系であって、上記偏光渦変換素子から射出される光から上記円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出するものとを有することを特徴とする天体探査装置である。
この天体探査装置では、例えば、第１の発明による光渦発生装置と同様な構成、すなわち第１の光学系と偏光渦変換素子と第２の光学系との光軸を恒星光に一致させることで、光渦が光軸に沿って暗線を有する性質を利用して強力な恒星光を消すことができ、このため微弱な惑星光を検出することができ、太陽系外惑星探査を高精度に行うことができる。この天体探査装置では、太陽系外惑星探査に加え、例えば、連星（互いの重力で結合し、軌道運動をしている複数個の星）の検出（ハイコントラスト・イメージングと呼ばれる）なども高精度に行うことができる。
この第３の発明においては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
第４の発明は、
直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子であって、
光弾性材料を用いたことを特徴とするものである。
第５の発明は、
直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子であって、
複屈折性を有する媒質を用いたことを特徴とするものである。
第６の発明は、
直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子であって、
複数の楔形偏光板が放射状に配置されていることを特徴とするものである。
第７の発明は、
直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子であって、
コヒーレント光の波長より小さい間隔の放射状方位の周期構造を有することを特徴とするものである。
第４〜第７の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。In order to solve the above problem, the first invention is:
A first optical system for converting coherent light into circularly polarized light;
A polarization vortex conversion element arranged so that circularly polarized light emitted from the first optical system is incident, and has a linear birefringence and / or a linear dichroism, and the polarization characteristic is the center of coordinates From each point on the same radius is constant except for the azimuth angle of the main axis, and the azimuth angle of the main axis of each point above it is proportional to the azimuth angle of the coordinates,
A second optical system arranged so that light emitted from the polarization vortex conversion element is incident thereon, wherein a circular polarization component having a direction opposite to the circular polarization is extracted from the light emitted from the polarization vortex conversion element; It is an optical vortex generator characterized by having.
In this optical vortex generator, a light source is unnecessary when generating optical vortices using coherent light incident from the outside of the apparatus, for example, when stellar light and planetary light are incident as coherent light in planetary exploration, Otherwise, it further has a light source that generates coherent light. A laser light source is typically used as the light source, but is not limited thereto.
The polarization vortex conversion element has linear birefringence and / or linear dichroism, and the polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the main axis at each point on the same radius from the center of the coordinates. The azimuth angle of the principal axis of each point above it is proportional to the azimuth angle of the coordinates. This is a normal polarizer that converts incident light into linearly polarized light in one direction, and the major axis direction of incident light is It is a special one that is different from a normal phase shifter that converts to elliptically polarized light in one direction. Here, the polarization vortex is elliptically polarized light (including linearly polarized light and circularly polarized light) having the same ellipticity on the same coordinate radius, and the major axis azimuth of the polarized ellipse is the coordinate. It is proportional to the azimuth angle. Having linear birefringence and / or linear dichroism means having at least one of linear birefringence and linear dichroism, but further having circular birefringence or circular dichroism. May be. In addition, the fact that the azimuth angle of the principal axis of each point is proportional to the azimuth angle of the coordinate means that the direction of the coordinate axis for describing the polarization characteristics is different for each point. When the azimuth angle of the principal axis of each point on the polarization vortex conversion element is φ and the azimuth angle of coordinates is θ, φ = nθ / 2 (where n is an integer other than 0).
In this optical vortex generator, the light transmitted through the polarization vortex conversion element has a polarization direction that vortexes around the optical axis, that is, a polarization vortex (the optical axis becomes a singular point at this time). When this light passes through the second optical system, the wavefront becomes a vortex around the optical axis, and an optical vortex is obtained. The phase of each point of the optical vortex generated in this way is determined by the azimuth angle of each point of the polarization vortex conversion element, and does not depend on the wavelength of the light source. Depending on the polarization vortex conversion element used, phase discontinuity lines may or may not occur as in the conventional optical vortex generation method using a glass plate having a spiral thickness distribution. Even so, the wavelength dependence of the phase difference in the discontinuous line is extremely small.
Various types of polarization vortex conversion elements can be used. Specifically, for example, one using a photoelastic material, one using a birefringent medium such as liquid crystal, one in which a plurality of wedge-shaped polarizing plates are arranged in a radial pattern, a radial pattern having an interval smaller than the wavelength of coherent light It has a periodic structure of orientation. Here, a polarization vortex conversion element using a birefringent medium such as a photoelastic material or a liquid crystal has a linear birefringence, and a polarization vortex conversion element in which a plurality of wedge-shaped polarizing plates are arranged in a radial pattern is linear two-color. The polarization vortex conversion element having a periodic structure with a radial orientation that is smaller than the wavelength of the coherent light has linear birefringence and linear dichroism.
The first optical system may have any configuration as long as it can convert coherent light into circularly polarized light. To give a specific example, a polarizer that converts coherent light into linearly polarized light in one direction and a polarizer One having a quarter-wave plate in the latter stage or one using a material having circular dichroism. The second optical system may have any configuration as long as it can extract the circularly polarized component in the direction opposite to the circularly polarized light from the light emitted from the polarization vortex conversion element. For example, it has a quarter-wave plate on which the light emitted from the polarization vortex conversion element is incident and an analyzer at the subsequent stage of the quarter-wave plate.
The second invention is
A first optical system for converting coherent light into circularly polarized light;
A polarization vortex conversion element arranged so that circularly polarized light emitted from the first optical system is incident, and has a linear birefringence and / or a linear dichroism, and the polarization characteristic is the center of coordinates From each point on the same radius is constant except for the azimuth angle of the main axis, and the azimuth angle of the main axis of each point above it is proportional to the azimuth angle of the coordinates,
A second optical system arranged so that light emitted from the polarization vortex conversion element is incident thereon, wherein a circular polarization component having a direction opposite to the circular polarization is extracted from the light emitted from the polarization vortex conversion element; It is a minute object operating device characterized by having.
In this micro object operating device, an optical vortex is generated with the same configuration as that of the optical vortex generator according to the first invention, and micro objects such as micro particles (atoms etc.) are optically trapped and rotated by this optical vortex. it can.
In the second invention, what has been described in relation to the first invention is established.
The third invention is
A first optical system for converting coherent light into circularly polarized light;
A polarization vortex conversion element arranged so that circularly polarized light emitted from the first optical system is incident, and has a linear birefringence and / or a linear dichroism, and the polarization characteristic is the center of coordinates From each point on the same radius is constant except for the azimuth angle of the main axis, and the azimuth angle of the main axis of each point above it is proportional to the azimuth angle of the coordinates,
A second optical system arranged so that light emitted from the polarization vortex conversion element is incident thereon, wherein a circular polarization component having a direction opposite to the circular polarization is extracted from the light emitted from the polarization vortex conversion element; A celestial body exploration device characterized by comprising:
In this astronomical exploration device, for example, the same configuration as the optical vortex generator according to the first invention, that is, the optical axes of the first optical system, the polarization vortex conversion element, and the second optical system are made to coincide with the stellar light. By using the property that the optical vortex has a dark line along the optical axis, strong stellar light can be extinguished, so that weak planetary light can be detected and exoplanet exploration can be performed with high accuracy. be able to. In addition to exploring extrasolar planets, this astronomical exploration device also detects, for example, binary stars (multiple stars that are coupled by mutual gravity and orbiting) (called high-contrast imaging). Can be done.
In the third invention, what has been described in relation to the first invention is established.
The fourth invention is:
It has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is A polarization vortex conversion element proportional to the azimuth angle of coordinates,
A photoelastic material is used.
The fifth invention is:
It has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is A polarization vortex conversion element proportional to the azimuth angle of coordinates,
This is characterized in that a medium having birefringence is used.
The sixth invention is:
It has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is A polarization vortex conversion element proportional to the azimuth angle of coordinates,
A plurality of wedge-shaped polarizing plates are arranged radially.
The seventh invention
It has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is A polarization vortex conversion element proportional to the azimuth angle of coordinates,
It has a periodic structure with a radial orientation at intervals smaller than the wavelength of coherent light.
In the fourth to seventh inventions, what has been described in relation to the first invention is valid as long as it is not contrary to the nature thereof.

第１図Ａおよび第１図Ｂは、光渦を説明するための略線図、第２図は、光渦の一例を示す略線図、第３図は、従来の光渦発生方法の第１の例を説明するための略線図、第４図は、第３図に示す従来の光渦発生装置におけるシリンドリカルレンズ対の代わりに用いられるダブプリズムを示す略線図、第５図は、従来の光渦発生方法の第２の例を説明するための略線図、第６図は、従来の光渦発生方法の第２の例において用いられるらせん状の厚さ分布を有するガラス板を示す略線図、第７図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置を示す略線図、第８図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子を示す略線図、第９図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子の第１の例を示す略線図、第１０図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子の第１の例の作製方法を説明するための略線図、第１１図および第１２図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子の第２の例を示す略線図、第１３図および第１４図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子の第３の例を示す略線図、第１５図および第１６図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子の第４の例を示す略線図、第１７図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子の第４の例の原理を説明するための略線図、第１８図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において偏光渦変換素子に入射する円偏光の一例を示す略線図、第１９図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子の機能を説明するための略線図、第２０図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置において用いられる偏光渦変換素子の機能を説明するための略線図、第２１図は、この発明の第１の実施形態による光渦発生装置を微小粒子の操作に適用した例を説明するための略線図、第２２図は、この発明の実施例１において用いられた実験系を示す略線図、第２３図は、この発明の実施例１において得られた光渦と平面波との干渉模様を示す略線図、第２４図は、この発明の実施例１において得られた光渦と球面波との干渉模様を示す略線図、第２５図は、この発明の実施例２において用いた偏光渦変換素子を示す略線図、第２６図は、この発明の実施例２において用いられた実験系を示す略線図、第２７図Ａおよび第２７図Ｂは、この発明の実施例２において得られた光渦と平面波との干渉模様を示す略線図、第２８図Ａおよび第２８図Ｂは、この発明の実施例２において得られた光渦と球面波との干渉模様を示す略線図、第２９図は、この発明の第２の実施形態による光渦発生装置を示す略線図である。  1A and 1B are schematic diagrams for explaining an optical vortex, FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of an optical vortex, and FIG. 3 is a schematic diagram of a conventional optical vortex generation method. Fig. 4 is a schematic diagram for explaining an example of Fig. 1, Fig. 4 is a schematic diagram showing a Dove prism used in place of the cylindrical lens pair in the conventional optical vortex generator shown in Fig. 3, and Fig. 5 is FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a second example of the conventional optical vortex generation method, and FIG. 6 shows a glass plate having a spiral thickness distribution used in the second example of the conventional optical vortex generation method. FIG. 7 is a schematic diagram showing an optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 8 is used in the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 9 is a schematic diagram showing a polarization vortex converter, and FIG. 9 is used in the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a first example of an optical vortex conversion element, and FIG. 10 illustrates a method of manufacturing a first example of a polarization vortex conversion element used in the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention. FIGS. 11 and 12 are schematic diagrams showing a second example of the polarization vortex conversion element used in the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. FIG. 14 and FIG. 14 are schematic diagrams showing a third example of the polarization vortex conversion element used in the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention. FIGS. FIG. 17 is a schematic diagram showing a fourth example of a polarization vortex conversion element used in the optical vortex generator according to the first embodiment, and FIG. 17 shows a polarization vortex used in the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention. A schematic diagram for explaining the principle of the fourth example of the conversion element; FIG. 18 is a schematic diagram showing an example of circularly polarized light incident on a polarization vortex conversion element in the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 19 shows light according to the first embodiment of the present invention. FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the function of the polarization vortex conversion element used in the vortex generator, and FIG. 20 explains the function of the polarization vortex converter used in the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 21 is a schematic diagram for explaining an example in which the optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention is applied to the operation of fine particles, and FIG. 22 is a schematic diagram for explaining the present invention. FIG. 23 is a schematic diagram showing the interference pattern between the optical vortex and the plane wave obtained in Example 1 of the present invention, and FIG. 24 is a schematic diagram showing the experimental system used in Example 1 of FIG. Interference between optical vortex and spherical wave obtained in Example 1 of the present invention FIG. 25 is a schematic diagram showing a polarization vortex conversion element used in Example 2 of the present invention, and FIG. 26 shows an experimental system used in Example 2 of the present invention. FIG. 27A and FIG. 27B are schematic diagrams showing the interference pattern between the optical vortex and the plane wave obtained in Example 2 of the present invention, FIG. 28A and FIG. FIG. 29 is a schematic diagram showing an optical vortex generator according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 29 is a schematic diagram showing an interference pattern between an optical vortex and a spherical wave obtained in Example 2 of the present invention. .

符号の説明Explanation of symbols

１ コヒーレント光源
２ コヒーレント光
３、５ 光学系
４ 偏光渦変換素子
６ 光渦
１１ レーザ装置
３１ 偏光子
３２、５１ １／４波長板
５２ 検光子
７１ 光弾性材料
７２ 液晶分子
７３ 楔形偏光板
８１、８３ ビームスプリッター
８２、８４ 反射鏡
８６ 空間周波数フィルタリング装置DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coherent light source 2 Coherent light 3, 5 Optical system 4 Polarization vortex conversion element 6 Optical vortex 11 Laser apparatus 31 Polarizer 32, 51 1/4 wavelength plate 52 Analyzer 71 Photoelastic material 72 Liquid crystal molecule 73 Wedge-shaped polarizing plate 81, 83 Beam splitter 82, 84 Reflector 86 Spatial frequency filtering device

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
第７図はこの発明の第１の実施形態による光渦発生装置を示す。第７図に示すように、この光渦発生装置は、コヒーレント光源１と、このコヒーレント光源１から射出されるコヒーレント光２を円偏光に変換する光学系３と、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子４と、この偏光渦変換素子４から射出される光から、光学系３から射出される円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出する光学系５とにより構成され、光学系５から光渦６が射出される。
コヒーレント光源１は、レーザ装置１１と二枚のレンズ１２ａ、１２ｂからなるコリメータ１２とを含む。光学系３は、コヒーレント光２を一方向の直線偏光に変換する偏光子３１とその後段の１／４波長板３２とからなる。光学系５は、１／４波長板５１とその後段の検光子５２とからなる。
光学系５からは、光学系３から射出される円偏光とは逆向きの円偏光成分が抽出されるが、これは、偏光渦変換素子４を抜き取ったときに真っ暗になるようにすること、すなわち暗視野にすることを意味する。
第８図に偏光渦変換素子４における各点の主軸の方位角φおよび座標の方位角θを示す。一周して主軸方位が戻るためには、φが（θ／２）の整数倍、すなわちφ＝ｎθ／２（ただし、ｎは０を除く整数）でなければならない。
偏光渦変換素子４としては、具体的には、例えば次のようなものを用いる。第９図は第１の例を示し、光弾性材料により構成した偏光渦変換素子４である。この偏光渦変換素子４は、第１０図に示すように、円板状の光弾性材料７１を用意し、これに外部から半径方向に一様な圧縮をかけることにより作製することができる。光弾性材料７１としては従来公知のもの、例えばガラス、エポキシ樹脂、光学結晶などを用いることができる。
第２の例は、液晶や結晶などの複屈折性を有する媒質を用いて偏光渦変換素子４を人工的に作るもので、この複屈折性を有する媒質を放射状に組み合わせて放射状の主軸分布を持たせる。具体的には、第１１図に示す偏光渦変換素子４は、放射状にラビングされた基板を用いて液晶分子７２を配向させたネマティック液晶セルにより構成したものである。この第１１図に示す偏光渦変換素子４は方位角φの変化が一周４πであるが、任意の周回（ただし、２πの整数倍）のものであってよく、例えば第１２図に示すように方位角φの変化が一周８πのものであってもよい。
第３の例では、第１３図に示すように、楔形偏光板７３を放射状に複数並べて全体として円形になるようにし、放射状の方位分布を有する偏光渦変換素子４を構成する。第１４図に示すように、任意の周回（ただし、２πの整数倍）の偏光渦変換素子４を構成することもできる。偏光渦変換素子４の外形は円形に限定されず、例えば正方形であってもよい。
第４の例では、コヒーレント光２の波長より小さい間隔の放射状方位のサブ波長周期構造により偏光渦変換素子４を構成する。例えば、第１５図に示すように、円板状の透明基板を用意し、これに電子ビームを照射することなどによりコヒーレント光２の波長より細かい間隔で溝４１を形成することにより、この溝４１の方向に主軸（の一方）を持つ偏光渦変換素子４を作製することができる。第１６図に示すように、任意の周回（ただし、２πの整数倍）の偏光渦変換素子４も作製することができる。これらのサブ波長周期構造により偏光渦変換素子４が得られる理由は次のとおりである。すなわち、サブ波長周期構造は回折格子と考えることができるが、第１７図に示すように、周期Ａの回折格子に波長λの光が入射する場合、Ａｓｉｎθ＝ｍλ（ｍは整数）である。この式が成立するためにはＡ≧λなる条件が必要である。逆に言えば、Ａ＜λであると回折光は出ない。このとき、格子に平行な方向と垂直な方向とでは、光の電場に対する複素屈折率が異なる。この事実は、この回折格子、すなわちサブ波長周期構造は偏光渦変換素子として働くことを意味する。このサブ波長周期構造としては、リング状結晶（例えば、特開２００４−１７５５７９号公報参照。）を用いることもできる。
次に、この光渦発生装置の動作原理について説明する。
光学系３から射出される光のＪｏｎｅｓベクトルは、右回り円偏光は

Figure 2007013648
と表され、左回り円偏光は
Figure 2007013648
と表される。
光学系５の右回り円偏光を抽出する機能は、Ｊｏｎｅｓ計算において
Figure 2007013648
を左から乗算することと表され、左回り円偏光を抽出する機能は
Figure 2007013648
を左から乗算することと表される。
偏光渦変換素子４の主軸の方位角がφの点でのＪｏｎｅｓ行列は、
Figure 2007013648
と表される。ただし、Ｊは主軸方向に座標軸を取ったときの、その偏光渦変換素子４のＪｏｎｅｓ行列である。ここで、偏光渦変換素子４が座標の同一半径上では主軸方位を除いて同一の偏光特性を有していることより、Ｊは半径（第８図のｒ）や波長λに依存し得る。しかし、Ｒ（φ）は半径や波長には依存しない。
このＪｏｎｅｓ行列における
Figure 2007013648
の例を挙げると、上述の第１および第２の例による偏光渦変換素子４は直線複屈折性を有していることより、
Figure 2007013648
であり（δ（ｒ，λ）はリタデーション）、第３の例による偏光渦変換素子４は直線二色性により一方の直線偏光成分が消滅することより、
Figure 2007013648
であり、第４の例による偏光渦変換素子４は直線複屈折性および直線二色性のいずれも持ち得ることより、
Figure 2007013648
である。
以上のことを前提としてこの光渦発生装置の動作をＪｏｎｅｓ計算により記述する。一例として、偏光渦変換素子４に入射する円偏光が右回り円偏光で、光学系５により左回り円偏光成分を抽出する場合を考える。この場合、光学系５の検光子５２から射出される光の電場は
Figure 2007013648
と表される。
ここで、主軸の方位角φが座標の方位角θの（ｎ／２）倍、すなわちφ＝ｎθ／２であるとすると、
Figure 2007013648
となり、光渦となっていることが分かる。この式の下線を引いた部分が０にならないために、
Figure 2007013648
が必要である。この条件式は、偏光渦変換素子４が直線複屈折性ないし直線二色性の少なくともいずれか一方を有すれば成立する。
なお、上記のＪｏｎｅｓ計算の経過における位相の扱いを示すと
Figure 2007013648
のようになる。この式の二重の下線を引いた部分と一重の下線を引いた部分とから、それぞれ、入射時と射出時とにおいて、主軸方位による（座標回転による）位相が付与されていることが分かる。
次に、この光渦発生装置の動作原理を定性的に説明する。
一例として、偏光渦変換素子４に入射する円偏光が右回り円偏光で、光学系５により左回り円偏光成分を抽出する場合を考える。
第１８図に、偏光渦変換素子４に入射する右回り円偏光を示す。この右回り円偏光の電場のｘ成分はａｃｏｓ（ωｔ）、ｙ成分はａｃｏｓ（ωｔ＋π／２）と表される。ただし、ａは振幅、ωは角周波数、ｔは時間を示す。ｙ成分はｘ成分に対して位相がπ／２進んでいる。この右回り円偏光に対して座標をφ回転させると、位相が＋φずれる。なお、左回り円偏光に対しては位相が−φずれる。
いま、第１９図に示すように、偏光渦変換素子４上に同一半径上の２点Ｐ１、Ｐ２を考え、この２点を通過した後の左回り円偏光成分の位相を比べる。Ｐ１は水平軸上の点で方位角θ＝０、Ｐ２は方位角θ（≠０）の点である。偏光の主軸の方位角はφ＝ｎθ／２である。
偏光渦変換素子４へ入射した時点では、点Ｐ１、Ｐ２とも同一の右回り円偏光である。ところが、それぞれの主軸方向での光の位相を比べると、上記の事実より点Ｐ２の方が点Ｐ１に対して＋φ進んでいることが分かる。この光が偏光渦変換素子４を通過すると、点Ｐ１、Ｐ２それぞれを透過した光は楕円率が同一で、長軸方向がφだけ異なる楕円偏光となる。ここでも、それぞれの主軸方向での位相を比べると、点Ｐ２の方が点Ｐ１に対して＋φ進んでいる。
さて、この偏光渦変換素子４を射出した光は、右回り円偏光成分と左回り円偏光成分との重ね合わせと見ることができる。このうち、右回り円偏光成分の方は、点Ｐ１、Ｐ２で同一の初期位相を持つ。なぜなら、上述の点Ｐ２と点Ｐ１との主軸方向での位相のずれ＋φは、右回り円偏光に直す際に座標回転により打ち消されるからである。一方、左回り円偏光成分の方は、座標回転の際に逆向きの位相が付くため、結果として点Ｐ２の方が点Ｐ１に対して＋２φ進むこととなる。これが、偏光渦変換素子４を射出した光の左回り円偏光成分の位相が光渦になっていることの理由である。
以上のことから明らかなように、この光渦発生装置により発生される光渦の位相は原理的にコヒーレント光２の波長に依存しない。すなわち、この光渦発生装置によれば、アクロマティックな光渦を発生させることができる。実際には、１／４波長板３２、５１などの分散などで若干波長依存性が出る可能性もあるが、少なくとも従来の光渦発生装置に比べると波長依存性は格段に小さく、また、１／４波長板３２、５１などとしてアクロマティックなものを使用することにより波長依存性をさらに小さくすることができる。なお、光渦の光強度自体は、偏光渦変換素子４の分散の影響を受ける。しかし、この偏光渦変換素子４として波長λに依存しないもの、言い換えると行列Ｊが波長に依存しないものを選べば光強度も含めてアクロマティックな光渦をつくることができる。このような偏光渦変換素子４の一例として、第１３図に示すような楔形偏光板７３を放射状に複数並べたものを挙げることができる。また、偏光渦変換素子４は、楔形偏光板７３を放射状に複数並べたものを除いて方位角φの方向はどこでも連続であるため、この光渦発生装置により発生される光渦は、位相の不連続線が存在せず、これに起因する雑音が発生しない点でも有利である。さらに、たとえ位相の不連続線が存在する場合でも、この不連続線での位相の段差の波長依存性は極めて小さいため、特に波長走査や広帯域光を利用する用途において不連続線での位相の段差を極力小さくすることができ、この位相の段差に起因する雑音を十分に低レベルに抑えることができる。
この光渦発生装置は、例えば、レーザ装置１１として広帯域なもの（Ｓｕｐｅｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ光源など）を用いる場合にも良好な光渦を発生させることができる。
この光渦発生装置は、例えば、微小物体操作装置（マニピュレータ）として使用することができる。すなわち、第２１図に示すように、この光渦発生装置により発生される光渦６により微小粒子７４を光トラップし（光ピンセット）、この光渦６の軌道角運動量（トルク）をその微小粒子７４に移して回転させることができる。
この光渦発生装置の実施例について説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 7 shows an optical vortex generator according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, this optical vortex generator includes a coherent light source 1, an optical system 3 that converts coherent light 2 emitted from the coherent light source 1 into circularly polarized light, linear birefringence and / or linearity. Polarized light that has dichroism, and whose polarization characteristics are constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is proportional to the azimuth angle of the coordinate The vortex conversion element 4 and an optical system 5 that extracts, from the light emitted from the polarization vortex conversion element 4, a circularly polarized component opposite to the circularly polarized light emitted from the optical system 3. An optical vortex 6 is emitted.
The coherent light source 1 includes a laser device 11 and a collimator 12 including two lenses 12a and 12b. The optical system 3 includes a polarizer 31 that converts the coherent light 2 into linearly polarized light in one direction and a quarter-wave plate 32 at the subsequent stage. The optical system 5 includes a quarter-wave plate 51 and an analyzer 52 at the subsequent stage.
From the optical system 5, a circularly polarized component in the direction opposite to the circularly polarized light emitted from the optical system 3 is extracted. This is made dark when the polarization vortex conversion element 4 is extracted, That is, it means dark field.
FIG. 8 shows the azimuth angle φ of the principal axis of each point and the azimuth angle θ of the coordinates in the polarization vortex conversion element 4. In order for the main axis direction to return once around, φ must be an integral multiple of (θ / 2), that is, φ = nθ / 2 (where n is an integer other than 0).
Specifically, for example, the following is used as the polarization vortex conversion element 4. FIG. 9 shows a first example, which is a polarization vortex conversion element 4 made of a photoelastic material. As shown in FIG. 10, the polarization vortex conversion element 4 can be manufactured by preparing a disk-shaped photoelastic material 71 and applying uniform compression in the radial direction from the outside. As the photoelastic material 71, a conventionally known material such as glass, epoxy resin, optical crystal or the like can be used.
In the second example, the polarization vortex conversion element 4 is artificially formed using a birefringent medium such as a liquid crystal or a crystal, and the radial principal axis distribution is obtained by combining the birefringent medium radially. Give it. Specifically, the polarization vortex conversion element 4 shown in FIG. 11 is composed of a nematic liquid crystal cell in which liquid crystal molecules 72 are aligned using a radially rubbed substrate. In the polarization vortex conversion element 4 shown in FIG. 11, the change in the azimuth angle φ is 4π in one round, but it may be any round (however, an integral multiple of 2π). For example, as shown in FIG. The change in the azimuth angle φ may be 8π in one round.
In the third example, as shown in FIG. 13, a plurality of wedge-shaped polarizing plates 73 are arranged radially to form a circular shape as a whole, and the polarization vortex conversion element 4 having a radial orientation distribution is configured. As shown in FIG. 14, a polarization vortex conversion element 4 having an arbitrary number of revolutions (however, an integer multiple of 2π) can be configured. The outer shape of the polarization vortex conversion element 4 is not limited to a circle, and may be, for example, a square.
In the fourth example, the polarization vortex conversion element 4 is configured by a sub-wavelength periodic structure having a radial orientation with an interval smaller than the wavelength of the coherent light 2. For example, as shown in FIG. 15, a disk-shaped transparent substrate is prepared, and this groove 41 is formed by forming grooves 41 at an interval smaller than the wavelength of the coherent light 2 by irradiating the transparent substrate with an electron beam. The polarization vortex conversion element 4 having the main axis (one of them) in the direction can be manufactured. As shown in FIG. 16, a polarization vortex conversion element 4 having an arbitrary number of revolutions (however, an integer multiple of 2π) can be produced. The reason why the polarization vortex conversion element 4 is obtained by these sub-wavelength periodic structures is as follows. That is, the sub-wavelength periodic structure can be considered as a diffraction grating, but as shown in FIG. 17, when light having a wavelength λ is incident on a diffraction grating having a period A, Asin θ = mλ (m is an integer). In order for this equation to hold, a condition of A ≧ λ is necessary. In other words, no diffracted light is emitted when A <λ. At this time, the complex refractive index with respect to the electric field of light differs between a direction parallel to the grating and a direction perpendicular to the grating. This fact means that this diffraction grating, that is, the sub-wavelength periodic structure works as a polarization vortex conversion element. As this sub-wavelength periodic structure, a ring-shaped crystal (see, for example, JP-A-2004-175579) can also be used.
Next, the operating principle of this optical vortex generator will be described.
The Jones vector of light emitted from the optical system 3 is clockwise circularly polarized light.
Figure 2007013648
The counterclockwise circularly polarized light is
Figure 2007013648
It is expressed.
The function of extracting the clockwise circularly polarized light of the optical system 5 is the Jones calculation.
Figure 2007013648
Is the function of extracting counterclockwise circularly polarized light.
Figure 2007013648
It is expressed as multiplying from the left.
The Jones matrix at the point where the azimuth angle of the main axis of the polarization vortex conversion element 4 is φ is
Figure 2007013648
It is expressed. However, J is a Jones matrix of the polarization vortex conversion element 4 when the coordinate axis is taken in the principal axis direction. Here, since the polarization vortex conversion element 4 has the same polarization characteristics except for the principal axis direction on the same radius of coordinates, J can depend on the radius (r in FIG. 8) and the wavelength λ. However, R (φ) does not depend on the radius or wavelength.
In this Jones matrix
Figure 2007013648
As an example, the polarization vortex conversion element 4 according to the first and second examples described above has linear birefringence,
Figure 2007013648
(Δ (r, λ) is retardation), and in the polarization vortex conversion element 4 according to the third example, one linearly polarized light component disappears due to linear dichroism,
Figure 2007013648
Since the polarization vortex conversion element 4 according to the fourth example can have both linear birefringence and linear dichroism,
Figure 2007013648
It is.
Based on the above premise, the operation of this optical vortex generator will be described by Jones calculation. As an example, consider a case where the circularly polarized light incident on the polarization vortex conversion element 4 is clockwise circularly polarized light, and the counterclockwise circularly polarized light component is extracted by the optical system 5. In this case, the electric field of light emitted from the analyzer 52 of the optical system 5 is
Figure 2007013648
It is expressed.
Here, when the azimuth angle φ of the main axis is (n / 2) times the azimuth angle θ of the coordinates, that is, φ = nθ / 2,
Figure 2007013648
It turns out that it is a light vortex. Since the underlined part of this formula does not become 0,
Figure 2007013648
is required. This conditional expression is satisfied if the polarization vortex conversion element 4 has at least one of linear birefringence or linear dichroism.
In addition, when the handling of the phase in the course of the above Jones calculation is shown
Figure 2007013648
become that way. From the double underlined portion and the single underlined portion of this equation, it can be seen that the phase according to the principal axis direction (by coordinate rotation) is given at the time of incidence and at the time of emission, respectively.
Next, the operating principle of this optical vortex generator will be described qualitatively.
As an example, consider a case where the circularly polarized light incident on the polarization vortex conversion element 4 is clockwise circularly polarized light, and the counterclockwise circularly polarized light component is extracted by the optical system 5.
FIG. 18 shows clockwise circularly polarized light incident on the polarization vortex conversion element 4. The x component of the electric field of the clockwise circularly polarized light is expressed as acos (ωt), and the y component is expressed as acos (ωt + π / 2). Here, a represents amplitude, ω represents angular frequency, and t represents time. The y component has a phase advance of π / 2 with respect to the x component. When the coordinates are rotated by φ with respect to the clockwise circularly polarized light, the phase is shifted by + φ. Note that the phase shifts by -φ with respect to counterclockwise circularly polarized light.
Now, as shown in FIG. 19, two points P 1 and P 2 on the same radius on the polarization vortex conversion element 4 are considered, and the phases of the counterclockwise circularly polarized components after passing through these two points are compared. P 1 is a point on the horizontal axis and the azimuth angle θ = 0, and P 2 is a point at the azimuth angle θ (≠ 0). The azimuth angle of the principal axis of polarized light is φ = nθ / 2.
At the point of incidence on the polarization vortex conversion element 4, both the points P 1 and P 2 are the same clockwise circularly polarized light. However, comparing the phases of the light in the respective principal axis directions, it can be seen that the point P 2 is advanced by + φ with respect to the point P 1 from the above fact. When this light passes through the polarization vortex conversion element 4, the light transmitted through the points P 1 and P 2 becomes elliptically polarized light having the same ellipticity and different in the major axis direction by φ. Again, when comparing the phases in the respective principal axis directions, the point P 2 is advanced by + φ with respect to the point P 1 .
The light emitted from the polarization vortex conversion element 4 can be regarded as a superposition of a clockwise circularly polarized component and a counterclockwise circularly polarized component. Of these, the clockwise circularly polarized light component has the same initial phase at points P 1 and P 2 . This is because the phase shift + φ in the principal axis direction between the point P 2 and the point P 1 described above is canceled out by rotating the coordinates when converting to right-handed circularly polarized light. On the other hand, the direction of left-handed circularly polarized light component, because the reverse phase stick during coordinate rotation, the result towards the point P 2 as is the sub-routine proceeds + 2 [phi relative to the point P 1. This is the reason why the phase of the counterclockwise circularly polarized component of the light emitted from the polarization vortex conversion element 4 is an optical vortex.
As apparent from the above, the phase of the optical vortex generated by this optical vortex generator is not dependent on the wavelength of the coherent light 2 in principle. That is, according to this optical vortex generator, an achromatic optical vortex can be generated. Actually, there may be some wavelength dependence due to dispersion of the quarter-wave plates 32, 51, etc., but at least the wavelength dependence is much smaller than that of a conventional optical vortex generator. The wavelength dependence can be further reduced by using achromatic ones as the / 4 wavelength plates 32 and 51. The light intensity of the optical vortex itself is affected by the dispersion of the polarization vortex conversion element 4. However, if the polarization vortex conversion element 4 is not dependent on the wavelength λ, in other words, if the matrix J is not dependent on the wavelength, an achromatic optical vortex including the light intensity can be created. As an example of such a polarization vortex conversion element 4, there can be mentioned one in which a plurality of wedge-shaped polarizing plates 73 as shown in FIG. 13 are arranged radially. Further, since the polarization vortex conversion element 4 has a continuous azimuth angle φ everywhere except a plurality of wedge-shaped polarizing plates 73 arranged radially, the optical vortex generated by this optical vortex generator It is also advantageous in that there are no discontinuous lines and no noise is generated due to this. Furthermore, even if there is a phase discontinuous line, the wavelength dependence of the phase step at this discontinuous line is extremely small, so the phase of the discontinuous line particularly in applications using wavelength scanning or broadband light. The step can be made as small as possible, and the noise caused by this phase step can be suppressed to a sufficiently low level.
This optical vortex generator can generate a good optical vortex even when, for example, a laser device 11 having a wide band (such as a Super Continuous light source) is used.
This optical vortex generator can be used, for example, as a minute object manipulation device (manipulator). That is, as shown in FIG. 21, the microparticle 74 is optically trapped by the optical vortex 6 generated by the optical vortex generator (optical tweezers), and the orbital angular momentum (torque) of the optical vortex 6 is determined by the microparticle. 74 and can be rotated.
An embodiment of this optical vortex generator will be described.

偏光渦変換素子４として、光弾性材料により構成した第１の例のものを用いた。円板状の光弾性材料７１として直径４８ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板状のエポキシ樹脂を用意し、これを互いに９０°離れた４点で支持し、万力を使って外部から半径方向に圧縮をかけることにより、第９図に示すような偏光渦変換素子４を作製した。
こうして作製された偏光渦変換素子４を用いた光渦発生装置により光渦が生成されることを確かめるために、光渦と平面波および球面波との干渉実験を行った。実験系を第２２図に示す。第２２図に示すように、レーザ装置１１としてＨｅ−Ｎｅレーザを用い、このＨｅ−Ｎｅレーザにより発生されるλ＝６３２．８ｎｍ（赤）のレーザ光をコヒーレント光２として二枚のレンズ１２ａ、１２ｂからなるコリメータ１２に通して平行光束とし、これをビームスプリッター８１に入射させて二分割する。このビームスプリッター８１により二分割された一方のコヒーレント光２を反射鏡８２により反射させて光学系３の偏光子３１および１／４波長板３２に順次通して上記のようにして作製した偏光渦変換素子４に入射させ、この偏光渦変換素子４から射出されるコヒーレント光２を光学系５の１／４波長板５１および検光子５２に順次通した後、ビームスプリッター８３を通して取り出す。一方、ビームスプリッター８１により二分割された他方のコヒーレント光２を反射鏡８４およびビームスプリッター８３により順次反射させて取り出す。こうしてビームスプリッター８３から取り出される、互いに異なる経路を通った二つのコヒーレント光２をＣＣＤ（電荷結合素子）に入射させて干渉縞を観察した。光渦と平面波との干渉実験を行う場合はこの第２２図に示す実験系を用いるが、光渦と球面波との干渉実験を行う場合はビームスプリッター８１と反射鏡８４との間に凸レンズ８５を挿入する。
第２３図に、上記の実験系により得られた光渦と平面波との干渉模様の画像を示す。第２３図から分かるように、光渦と平面波との干渉縞の特徴である逆Ｙ字型の干渉縞が画像の中央付近に観測された。
第２４図に、上記の実験系により得られた光渦と球面波との干渉模様の画像を示す。第２４図から分かるように、光渦と球面波との干渉縞の特徴である渦型の干渉縞が画像の中央付近に観測された。As the polarization vortex conversion element 4, the first example composed of a photoelastic material was used. A disc-shaped epoxy resin having a diameter of 48 mm and a thickness of 3 mm is prepared as the disc-shaped photoelastic material 71, supported at four points 90 ° apart from each other, and compressed from the outside in a radial direction using a vise. As a result, a polarization vortex conversion element 4 as shown in FIG. 9 was produced.
In order to confirm that the optical vortex was generated by the optical vortex generator using the polarization vortex conversion element 4 thus manufactured, an interference experiment between the optical vortex, the plane wave, and the spherical wave was performed. The experimental system is shown in FIG. As shown in FIG. 22, a He—Ne laser is used as the laser device 11, and two lenses 12 a using λ = 632.8 nm (red) laser light generated by this He—Ne laser as coherent light 2. A collimator 12 made of 12b passes through the collimator 12 to form a parallel light beam, which is incident on a beam splitter 81 and divided into two. One coherent light 2 divided into two by this beam splitter 81 is reflected by a reflecting mirror 82 and sequentially passed through a polarizer 31 and a quarter-wave plate 32 of the optical system 3, and the polarization vortex conversion produced as described above. The coherent light 2 incident on the element 4 and emitted from the polarization vortex conversion element 4 is sequentially passed through the quarter-wave plate 51 and the analyzer 52 of the optical system 5 and then taken out through the beam splitter 83. On the other hand, the other coherent light 2 divided into two by the beam splitter 81 is sequentially reflected by the reflecting mirror 84 and the beam splitter 83 and taken out. In this way, two coherent lights 2 taken out from the beam splitter 83 and passing through different paths were made incident on a CCD (charge coupled device) to observe interference fringes. The experiment system shown in FIG. 22 is used when performing an interference experiment between an optical vortex and a plane wave. However, when performing an interference experiment between an optical vortex and a spherical wave, a convex lens 85 is provided between the beam splitter 81 and the reflecting mirror 84. Insert.
FIG. 23 shows an image of the interference pattern between the optical vortex and the plane wave obtained by the above experimental system. As can be seen from FIG. 23, an inverted Y-shaped interference fringe characteristic of the interference fringe between the optical vortex and the plane wave was observed near the center of the image.
FIG. 24 shows an image of the interference pattern between the optical vortex and the spherical wave obtained by the above experimental system. As can be seen from FIG. 24, a vortex interference fringe, which is a feature of the interference fringe between the optical vortex and the spherical wave, was observed near the center of the image.

偏光渦変換素子４として、第２５図に示すように、八枚の直角二等辺三角形状の楔形偏光板７３を放射状に並べて全体として正方形になるようにした第３の例のものを用いた。各楔形偏光板７３は底辺の長さが１５ｍｍ、厚さが約０．１ｍｍであり、シートポーラライザを切断して形成した。
こうして作製された偏光渦変換素子４を用いた光渦発生装置により光渦が生成されることを確かめるために、光渦と平面波および球面波との干渉実験を行った。実験系を第２６図に示す。第２６図に示すように、レーザ装置１１としてＨｅ−Ｎｅレーザを用い、このＨｅ−Ｎｅレーザにより発生されるレーザ光をコヒーレント光２としてビームスプリッター８１に入射させて二分割する。このビームスプリッター８１により二分割された一方のコヒーレント光２を反射鏡８２により反射させて光学系３の偏光子３１および１／４波長板３２に順次通して上記のようにして作製した偏光渦変換素子４に入射させ、この偏光渦変換素子４から射出されるコヒーレント光２を光学系５の１／４波長板５１および検光子５２に順次通し、さらに空間周波数フィルタリング装置８６に通した後、凸レンズ８７およびビームスプリッター８３を順次通して取り出す。空間周波数フィルタリング装置８６は、凸レンズ８６ａおよびピンホール８６ｂからなる。一方、ビームスプリッター８１により二分割された他方のコヒーレント光２を反射鏡８４およびビームスプリッター８３により順次反射させて取り出す。こうしてビームスプリッター８３から取り出される、互いに異なる経路を通った二つのコヒーレント光２をＣＣＤに入射させて干渉縞を観察した。光渦と球面波との干渉実験を行う場合はこの第２６図に示す実験系を用いるが、光渦と平面波との干渉実験を行う場合はビームスプリッター８１と反射鏡８４との間に凸レンズ８８を挿入する。Ｈｅ−Ｎｅレーザにより発生されるレーザ光としては、λ＝６３２．８ｎｍ（赤）のレーザ光とλ＝５４３．５ｎｍ（緑）のレーザ光との二種類を用いた。
第２７図Ａおよび第２７図Ｂに、それぞれλ＝６３２．８ｎｍの赤色のレーザ光およびλ＝５４３．５ｎｍの緑色のレーザ光を用いた場合に上記の実験系により得られた光渦と平面波との干渉模様の画像を示す。第２７図Ａおよび第２７図Ｂから分かるように、干渉縞を追っていくと、画像の中央付近に縞の本数が変化している箇所が見える。これは光渦と平面波との干渉縞であり、赤色の波長および緑色の波長の両方で観測できた。
第２８図Ａおよび第２８図Ｂに、それぞれλ＝６３２．８ｎｍの赤色のレーザ光およびλ＝５４３．５ｎｍの緑色のレーザ光を用いた場合に上記の実験系により得られた光渦と球面波との干渉模様の画像を示す。第２８図Ａおよび第２８図Ｂから分かるように、画像の中央付近に渦型の干渉縞が見える。これは光渦と球面波との干渉縞であり、赤色の波長および緑色の波長の両方で観測できた。
この実験では、第２７図Ａおよび第２７図Ｂと第２８図Ａおよび第２８図Ｂとから分かるように、赤色のレーザ光と緑色のレーザ光との結果が類似していること、例えば第２７図Ａおよび第２７図Ｂでの干渉縞の分岐数が同じことなどは、本方法で波長によらない光渦が生成されていることに関係している。なお、赤色のレーザ光と緑色のレーザ光とで干渉縞の本数が異なっているのは光渦自体の性質ではなく、例えば凸レンズ８８の調整の不完全さによるものである。
第２９図はこの発明の第２の実施形態による光渦発生装置を示す。第２９図に示すように、この光渦発生装置は、コヒーレント光源１を有していないことを除いて、第１の実施形態による光渦発生装置と同様な構成を有する。この場合、この光渦発生装置の外部からコヒーレント光２が光学系３に入射する。
この光渦発生装置は、例えば、天体探査、具体的には太陽系外惑星探査に利用することができる。すなわち、強力な恒星光をこの光渦発生装置の光軸に合わせることで消すことができるので、光軸からずれた微弱な惑星光を高精度で検出することができ、惑星探査を高精度で行うことができる。
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構成、配置、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構成、配置、材料などを用いてもよい。
なお、偏光渦変換素子は、上述のように、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつその上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものであり、一方、移相子は直線複屈折性を有する素子であり、偏光子は直線二色性の極端なもの、すなわち一方の偏光成分をほぼ完全に消す素子であるが、移相子や偏光子自体は直線複屈折性や直線二色性を使わず、例えば反射や屈折の偏光特性を利用することによりつくることができるので、直線複屈折性および／または直線二色性を有するという条件は、透過する光の互いに直交する２つの直線偏光成分間の振幅比および／または位相差を変化させる性質を有するという条件に拡張することも可能である。
以上説明したように、この発明によれば、光源の波長によらずアクロマティックでしかも位相の不連続線が存在しないか、存在するとしても不連続線での位相の段差の波長依存性が極めて小さく、従って特に波長走査や広帯域光を利用する用途において不連続線での位相の段差を極力小さくすることができる光渦を容易に発生させることができる。そして、この光渦発生原理を用いて高性能の微小物体操作装置あるいは太陽系外惑星探査装置などの天体探査装置を実現することができる。As the polarization vortex conversion element 4, as shown in FIG. 25, a third example in which eight right-angled isosceles triangular wedge-shaped polarizing plates 73 are arranged radially to form a square as a whole is used. Each wedge-shaped polarizing plate 73 has a bottom length of 15 mm and a thickness of about 0.1 mm, and was formed by cutting a sheet polarizer.
In order to confirm that the optical vortex was generated by the optical vortex generator using the polarization vortex conversion element 4 thus manufactured, an interference experiment between the optical vortex, the plane wave, and the spherical wave was performed. The experimental system is shown in FIG. As shown in FIG. 26, a He—Ne laser is used as the laser device 11, and laser light generated by this He—Ne laser is incident on a beam splitter 81 as coherent light 2 and divided into two. One coherent light 2 divided into two by this beam splitter 81 is reflected by a reflecting mirror 82 and sequentially passed through a polarizer 31 and a quarter-wave plate 32 of the optical system 3, and the polarization vortex conversion produced as described above. The coherent light 2 incident on the element 4 and emitted from the polarization vortex conversion element 4 is sequentially passed through the ¼ wavelength plate 51 and the analyzer 52 of the optical system 5, and further passed through the spatial frequency filtering device 86, and then a convex lens 87 and the beam splitter 83 are taken out sequentially. The spatial frequency filtering device 86 includes a convex lens 86a and a pinhole 86b. On the other hand, the other coherent light 2 divided into two by the beam splitter 81 is sequentially reflected by the reflecting mirror 84 and the beam splitter 83 and taken out. In this way, two coherent lights 2 taken out from the beam splitter 83 and passing through different paths were made incident on the CCD, and interference fringes were observed. The experiment system shown in FIG. 26 is used when performing an interference experiment between an optical vortex and a spherical wave. However, when performing an interference experiment between an optical vortex and a plane wave, a convex lens 88 is provided between the beam splitter 81 and the reflecting mirror 84. Insert. As the laser light generated by the He—Ne laser, two types of laser light of λ = 632.8 nm (red) and λ = 543.5 nm (green) were used.
FIGS. 27A and 27B show optical vortices and plane waves obtained by the above experimental system when using a red laser beam of λ = 632.8 nm and a green laser beam of λ = 543.5 nm, respectively. An image of the interference pattern is shown. As can be seen from FIG. 27A and FIG. 27B, as the interference fringes are traced, a portion where the number of the fringes changes is seen near the center of the image. This is an interference fringe between an optical vortex and a plane wave, and was observed at both red and green wavelengths.
FIG. 28A and FIG. 28B show the optical vortex and spherical surface obtained by the above experimental system when using a red laser beam of λ = 632.8 nm and a green laser beam of λ = 543.5 nm, respectively. An image of an interference pattern with a wave is shown. As can be seen from FIG. 28A and FIG. 28B, a vortex type interference fringe is seen near the center of the image. This is an interference fringe between an optical vortex and a spherical wave, and was observed at both red and green wavelengths.
In this experiment, as can be seen from FIG. 27A and FIG. 27B and FIG. 28A and FIG. 28B, the results of the red laser light and the green laser light are similar. The fact that the number of branches of the interference fringes in FIGS. 27A and 27B is the same is related to the fact that an optical vortex independent of wavelength is generated by this method. The difference in the number of interference fringes between the red laser light and the green laser light is not due to the nature of the optical vortex itself but, for example, due to imperfect adjustment of the convex lens 88.
FIG. 29 shows an optical vortex generator according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 29, this optical vortex generator has the same configuration as the optical vortex generator according to the first embodiment, except that it does not have the coherent light source 1. In this case, the coherent light 2 enters the optical system 3 from the outside of the optical vortex generator.
This optical vortex generator can be used, for example, for astronomical exploration, specifically for exoplanet exploration. In other words, powerful star light can be extinguished by aligning with the optical axis of this optical vortex generator, so that weak planetary light deviating from the optical axis can be detected with high accuracy, and planetary exploration can be performed with high accuracy. It can be carried out.
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible.
For example, the numerical values, configurations, arrangements, materials, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different numerical values, configurations, arrangements, materials, and the like may be used as necessary.
As described above, the polarization vortex conversion element has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic excludes the azimuth angle of the main axis at each point on the same radius from the center of the coordinates. And the azimuth of the principal axis of each point above it is proportional to the azimuth of the coordinates, while the phase shifter is an element having linear birefringence, and the polarizer is linear dichroic It is an element that extinguishes one polarization component almost completely, but the phase shifter and the polarizer itself do not use linear birefringence or linear dichroism, for example, the polarization characteristics of reflection and refraction. The condition of having linear birefringence and / or linear dichroism changes the amplitude ratio and / or phase difference between two orthogonally polarized light components of the transmitted light that are orthogonal to each other. Extend to the condition of having Possible it is.
As described above, according to the present invention, there is no phase discontinuity line regardless of the wavelength of the light source, or even if it exists, the wavelength dependence of the phase step at the discontinuity line is extremely high. Therefore, it is possible to easily generate an optical vortex that is small and therefore can reduce the phase difference in the discontinuous line as much as possible particularly in applications using wavelength scanning and broadband light. And, using this optical vortex generation principle, it is possible to realize an astronomical exploration device such as a high-performance minute object manipulating device or an extrasolar planet exploration device.

Claims (16)

コヒーレント光を円偏光に変換する第１の光学系と、
上記第１の光学系から射出される円偏光が入射するように配置された偏光渦変換素子であって、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつその上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものと、
上記偏光渦変換素子から射出される光が入射するように配置された第２の光学系であって、上記偏光渦変換素子から射出される光から上記円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出するものとを有することを特徴とする光渦発生装置。A first optical system for converting coherent light into circularly polarized light;
A polarization vortex conversion element arranged so that circularly polarized light emitted from the first optical system is incident, and has a linear birefringence and / or a linear dichroism, and the polarization characteristic is the center of coordinates From each point on the same radius is constant except for the azimuth angle of the main axis, and the azimuth angle of the main axis of each point above it is proportional to the azimuth angle of the coordinates,
A second optical system arranged so that light emitted from the polarization vortex conversion element is incident thereon, wherein a circular polarization component having a direction opposite to the circular polarization is extracted from the light emitted from the polarization vortex conversion element; An optical vortex generator characterized by comprising: 上記偏光渦変換素子の上記主軸の方位角をφ、上記座標の方位角をθとしたとき、φ＝ｎθ／２（ただし、ｎは０を除く整数）であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。The scope of the invention is characterized in that φ = nθ / 2 (where n is an integer other than 0), where φ is the azimuth angle of the principal axis of the polarization vortex conversion element and θ is the azimuth angle of the coordinates. An optical vortex generator according to item 1. 上記コヒーレント光を発生する光源をさらに有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。2. The optical vortex generator according to claim 1, further comprising a light source that generates the coherent light. 上記偏光渦変換素子は光弾性材料を用いて作製されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。2. The optical vortex generator according to claim 1, wherein the polarization vortex conversion element is made of a photoelastic material. 上記偏光渦変換素子は複屈折性を有する媒質を用いて作製されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。2. The optical vortex generator according to claim 1, wherein the polarization vortex conversion element is manufactured using a medium having birefringence. 上記偏光渦変換素子は放射状に配置された複数の楔形偏光板からなることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。2. The optical vortex generator according to claim 1, wherein the polarization vortex conversion element comprises a plurality of wedge-shaped polarizing plates arranged radially. 上記偏光渦変換素子は上記コヒーレント光の波長より小さい間隔の放射状方位の周期構造を有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。2. The optical vortex generator according to claim 1, wherein the polarization vortex conversion element has a periodic structure with a radial orientation at intervals smaller than the wavelength of the coherent light. 上記第１の光学系は上記コヒーレント光を一方向の直線偏光に変換する偏光子とこの偏光子の後段の１／４波長板とを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。2. The light according to claim 1, wherein the first optical system includes a polarizer that converts the coherent light into linearly polarized light in one direction and a quarter-wave plate at the subsequent stage of the polarizer. Vortex generator. 上記第１の光学系は円二色性を有する材料を用いたものであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。2. The optical vortex generator according to claim 1, wherein the first optical system uses a material having circular dichroism. 上記第２の光学系は上記偏光渦変換素子から射出される光が入射する１／４波長板とこの１／４波長板の後段の検光子とを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光渦発生装置。The first optical system includes a quarter-wave plate on which light emitted from the polarization vortex conversion element is incident and an analyzer at a subsequent stage of the quarter-wave plate. The optical vortex generator according to the item. コヒーレント光を円偏光に変換する第１の光学系と、
上記第１の光学系から射出される円偏光が入射するように配置された偏光渦変換素子であって、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつその上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものと、
上記偏光渦変換素子から射出される光が入射するように配置された第２の光学系であって、上記偏光渦変換素子から射出される光から上記円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出するものとを有することを特徴とする微小物体操作装置。A first optical system for converting coherent light into circularly polarized light;
A polarization vortex conversion element arranged so that circularly polarized light emitted from the first optical system is incident, and has a linear birefringence and / or a linear dichroism, and the polarization characteristic is the center of coordinates From each point on the same radius is constant except for the azimuth angle of the main axis, and the azimuth angle of the main axis of each point above it is proportional to the azimuth angle of the coordinates,
A second optical system arranged so that light emitted from the polarization vortex conversion element is incident thereon, wherein a circular polarization component having a direction opposite to the circular polarization is extracted from the light emitted from the polarization vortex conversion element; A device for manipulating a micro object characterized by comprising: コヒーレント光を円偏光に変換する第１の光学系と、
上記第１の光学系から射出される円偏光が入射するように配置された偏光渦変換素子であって、直線複屈折性および／または直線二色性を有し、その偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつその上の各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例するものと、
上記偏光渦変換素子から射出される光が入射するように配置された第２の光学系であって、上記偏光渦変換素子から射出される光から上記円偏光と逆向きの円偏光成分を抽出するものとを有することを特徴とする天体探査装置。A first optical system for converting coherent light into circularly polarized light;
A polarization vortex conversion element arranged so that circularly polarized light emitted from the first optical system is incident, and has a linear birefringence and / or a linear dichroism, and the polarization characteristic is the center of coordinates From each point on the same radius is constant except for the azimuth angle of the main axis, and the azimuth angle of the main axis of each point above it is proportional to the azimuth angle of the coordinates,
A second optical system arranged so that light emitted from the polarization vortex conversion element is incident thereon, wherein a circular polarization component having a direction opposite to the circular polarization is extracted from the light emitted from the polarization vortex conversion element; An astronomical exploration device characterized by comprising: 直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子であって、
光弾性材料を用いたことを特徴とする偏光渦変換素子。It has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is A polarization vortex conversion element proportional to the azimuth angle of coordinates,
A polarization vortex conversion element characterized by using a photoelastic material. 直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子であって、
複屈折性を有する媒質を用いたことを特徴とする偏光渦変換素子。It has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is A polarization vortex conversion element proportional to the azimuth angle of coordinates,
A polarization vortex conversion element using a birefringent medium. 直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子であって、
複数の楔形偏光板が放射状に配置されていることを特徴とする偏光渦変換素子。It has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is A polarization vortex conversion element proportional to the azimuth angle of coordinates,
A polarization vortex conversion element comprising a plurality of wedge-shaped polarizing plates arranged radially. 直線複屈折性および／または直線二色性を有し、偏光特性は座標の中心から同一半径上にある各点では主軸の方位角を除いて一定であり、かつ各点の主軸の方位角が座標の方位角に比例する偏光渦変換素子であって、
コヒーレント光の波長より小さい間隔の放射状方位の周期構造を有することを特徴とする偏光渦変換素子。It has linear birefringence and / or linear dichroism, and its polarization characteristic is constant except for the azimuth angle of the principal axis at each point on the same radius from the center of the coordinate, and the azimuth angle of the principal axis of each point is A polarization vortex conversion element proportional to the azimuth angle of coordinates,
A polarization vortex conversion element characterized by having a periodic structure with a radial orientation at intervals smaller than the wavelength of coherent light.
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2084488B1 (en) * 2006-10-20 2017-03-22 Bioaxial Optical devices based on internal conical diffraction
JP5035803B2 (en) * 2007-01-09 2012-09-26 国立大学法人 千葉大学 Optical vortex laser beam oscillation method and optical vortex laser beam oscillation apparatus
JPWO2009016769A1 (en) * 2007-08-01 2010-10-14 ナルックス株式会社 Optical micromotor
WO2009066755A1 (en) * 2007-11-22 2009-05-28 National University Corporation Tokyo University Of Agriculture And Technology Vortex producing device, body controller, and vortex producing method
EP2163923B1 (en) * 2008-09-12 2014-12-17 JDS Uniphase Corporation Optical vortex retarder micro-array
JP5254077B2 (en) * 2009-02-25 2013-08-07 国立大学法人 千葉大学 Optical vortex generator and method
WO2014066834A1 (en) 2012-10-26 2014-05-01 The University Of Chicago Synergistic combination of immunologic inhibitors for the treatment of cancer
JP6194676B2 (en) * 2013-07-29 2017-09-13 富士通株式会社 Antenna device
JP6306856B2 (en) 2013-11-01 2018-04-04 浜松ホトニクス株式会社 Micro body control device
JP6188079B2 (en) * 2014-02-28 2017-08-30 国立大学法人 千葉大学 Optical vortex generator, continuous spiral phase plate used therefor, and optical vortex generation method
JP7199669B2 (en) * 2017-11-16 2023-01-06 国立大学法人長岡技術科学大学 Light-generating device, exposure apparatus provided with light-generating device, exposure system, light-generating method, and exposure photoresist manufacturing method
CN109709682B (en) * 2019-01-25 2021-01-08 电子科技大学 Device for generating composite vortex light beam
US11531111B2 (en) 2019-05-21 2022-12-20 Northrop Grumman Systems Corporation 360 degrees field of view scanning lidar with no movable parts
US11555891B2 (en) 2019-05-21 2023-01-17 Northrop Grumman Systems Corporation Methods for large angle field of view scanning LIDAR with no movable parts
CN111239882B (en) * 2020-01-15 2021-09-28 南京大学 Terahertz Bessel beam generator, preparation method and generation system
KR102563955B1 (en) * 2020-11-04 2023-08-04 경희대학교 산학협력단 Optical tweezer device and method for trapping using the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3289306B2 (en) * 1992-04-22 2002-06-04 神鋼電機株式会社 Multi-axis polarizing film production equipment
DE19535392A1 (en) * 1995-09-23 1997-03-27 Zeiss Carl Fa Radial polarization-rotating optical arrangement and microlithography projection exposure system with it

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