(57)【要約】【課題】更なる応用が期待されるＬＧモード光を発生できる光ビーム発生装置を提供する。【解決手段】光ビーム発生装置１は、レーザ光源１０および光位相変調素子１５等を備える。光位相変調素子１５は、レーザ光源１０から出力されてビームスプリッタ１４を経たコヒーレント光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光をビームスプリッタ１４へ出力する。光位相変調素子１４に入力される光のビーム断面上において、所定位置を原点とする極座標系（ｒ，θ）を設定するとともに、所定位置を中心とするｐ個の円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域を設定したときに、これら(ｐ＋１)個の領域のうち、内側から数えて偶数番目の領域内で各位置における位相変調量φが「φ＝ｑθ」なる式で表され、内側から数えて奇数番目の領域内で各位置における位相変調量φが「φ＝ｑθ＋π」なる式で表される。【選択図】図１
2008134450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を出力する光位相変調素子と、
を備え、
前記光位相変調素子に入力される光のビーム断面上において、所定位置を原点とする極座標系（ｒ，θ）を設定するとともに、前記所定位置を中心とするｐ個の円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域を設定したときに、これら(ｐ＋１)個の領域のうち、内側から数えて偶数番目の領域内で各位置における位相変調量φが「φ＝ｑθ」なる式で表され、内側から数えて奇数番目の領域内で各位置における位相変調量φが「φ＝ｑθ＋π」なる式で表される、
ことを特徴とする光ビーム発生装置（ただし、ｐは自然数、ｑは０以外の整数）。
【請求項２】
前記光位相変調素子が、外部から入力される制御信号に基づいて各画素の位相変調量が設定される素子である、ことを特徴とする請求項１記載の光ビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光のビーム断面上において所定の位相分布を有する光を発生する光ビーム発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光のビーム断面上において所定の位相分布を有する光を発生する光ビーム発生装置として、特許文献１や非特許文献１〜７に記載されたものが知られている。これらの文献に記載された光ビーム発生装置は、光ビーム断面において円周方向に沿って位相が変化するラゲール・ガウス・モード（Laguerre-GaussianMode）光（以下「ＬＧモード光」という。）を発生するものである。このようなＬＧモード光は、光ピンセット、量子計算および量子通信などへの応用が期待され、目下、光学・物理の分野で注目されている。
【特許文献１】特表２００１−５２３３９６号公報
【非特許文献１】J. Arlt, et al., Journal of Modern Optics, Vol.45, No.6,pp.1231-1237 (1998).
【非特許文献２】D. G. Grier, Nature, Vol.424, pp.810-816 (2003).
【非特許文献３】M. W. Beijersbergen,et al., Optics Communications, Vol.112, pp.321-327 (1994).
【非特許文献４】K. Sueda, et al., Optics Express, Vol.12, No.15, pp.3548-3553 (2004).
【非特許文献５】N. R. Heckenberg, et al., Optics Letters,Vol.17, No.3, pp.221-223 (1992).
【非特許文献６】N. R. Heckenberg, et al., Optical andQuantum Electronics, Vol.24, No.24, pp.155-166 (1992).
【非特許文献７】J. Arlt, T. Hitomi, K. Dholakia, Applied Physics,B, Vol.71, pp.549-554 (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような従来の光ビーム発生装置は、ＬＧモード光の更なる応用を図る上では、充分な機能を有していない。すなわち、上記従来法では、ＬＧモード光のうち高次偏角指数を有する光を発生することは可能だが、たとえば捕捉された原子を運搬する上で好ましい性質を有する高次動径指数ＬＧモード光を系統的かつ実用上充分な品質で発生することはできない。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、更なる応用が期待されるＬＧモード光を発生することができる光ビーム発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る光ビーム発生装置は、(1) コヒーレント光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を出力する光位相変調素子と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る光ビーム発生装置は、光位相変調素子に入力される光のビーム断面上において、所定位置を原点とする極座標系（ｒ，θ）を設定するとともに、所定位置を中心とするｐ個の円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域を設定したときに、これら(ｐ＋１)個の領域のうち、内側から数えて偶数番目の領域内で各位置における位相変調量φが「φ＝ｑθ」なる式で表され、内側から数えて奇数番目の領域内で各位置における位相変調量φが「φ＝ｑθ＋π」なる式で表されることを特徴とする。ただし、ｐは自然数であり、ｑは０以外の整数である。また、光位相変調素子は、外部から入力される制御信号に基づいて各画素の位相変調量が設定される素子であるのが好適である。なお、ｎを整数としたときに任意の位相αと位相(α＋２ｎπ)とは互いに等価であり、また、位相調整量の分布φはオフセット値を無視して相対値のみを問題とすればよい。これらのことを考慮して、光位相変調素子における位相変調量φは、位相αから位相(α＋２π)までの範囲に制限することが可能であり、また、αを値０としてもよい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明に係る光ビーム発生装置は、更なる応用が期待される高次のＬＧモード光を発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【０００７】
図１は、本実施形態に係る光ビーム発生装置１の構成図である。この図に示される光ビーム発生装置１は、レーザ光源１０、凸レンズ１１、凸レンズ１２、アパーチャ１３、ビームスプリッタ１４、光位相変調素子１５、ミラー１６、凸レンズ１７、凸レンズ１８およびＣＣＤカメラ１９を備える。
【０００８】
レーザ光源１０は、コヒーレントなレーザ光を出力するものであり、例えばＨｅ-Ｎｅレーザ光源等である。レンズ１１およびレンズ１２は、ビームエクスパンダとして作用するものであって、レーザ光源１０から出力された光を入力し、その光のビーム径を拡大して、該光を平行光として出力する。アパーチャ１３は、円形の開口を有し、レンズ１１およびレンズ１２から出力された光を入力して、その光のビーム断面のうち開口を通過する部分を出力する。ビームスプリッタ１４は、アパーチャ１３から到達した光の一部を透過させて光位相変調素子１５へ出力するとともに、光位相変調素子１５から到達した光の一部を反射させてミラー１６へ出力する。
【０００９】
光位相変調素子１５は、レーザ光源１０から出力されてビームスプリッタ１４を経た光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光をビームスプリッタ１４へ出力する。光位相変調素子１５は、ガラス板等の表面を加工することで厚み分布を持たせたものであってもよいが、外部から入力される制御信号に基づいて各画素の位相変調量が設定される素子（ＳＬＭ: Spatial Light Modulator）であるのが好適である。光位相変調素子１５としてＳＬＭが用いられる場合、位相変調量の空間的分布を電気的に書き込むことが可能であり、必要に応じて様々な位相変調分布を与えることができる。
【００１０】
ミラー１６は、ビームスプリッタ１４から到達した光を反射して、その反射した光をレンズ１７へ出力する。レンズ１７およびレンズ１８は、ミラー１６により反射された光を入力し、その光のビーム径を調整して、該光を平行光として出力する。ＣＣＤカメラ１９は、レンズ１７およびレンズ１８から出力された光を入力して、その光のビーム断面における光強度分布を検出する。
【００１１】
この光ビーム発生装置１では、レーザ光源１０から出力されたコヒーレントなレーザ光は、凸レンズ１１および凸レンズ１２によりビーム径が拡大された後、そのビーム断面の一部部分がアパーチャ１３の円形の開口を通過して、ビーム断面が円形とされ、さらにビームスプリッタ１４を透過して光位相変調素子１５に入力される。光位相変調素子１５に入力された光は、この光位相変調素子１５によりビーム断面上の位置に応じて位相変調を受けて反射される。
【００１２】
光位相変調素子１５により位相変調を受けて反射された光は、ビームスプリッタ１４より反射され、さらにミラー１６により反射され、凸レンズ１７および凸レンズ１８によりビーム径が調整されて、ＣＣＤカメラ１９の受光面に入射して、このＣＣＤカメラ１９により光ビーム断面における光強度分布が検出される。
【００１３】
光位相変調素子１５において光に与えられる位相変調量について更に詳細に説明すると以下のとおりである。光位相変調素子１５に入力される光のビーム断面上において、所定位置（円形のビーム断面における中心位置）を原点とする極座標系（ｒ，θ）を設定するとともに、この所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐを設定する。内側から順に領域Ａ０，Ａ１，Ａ２，…，Ａｐとする。領域Ａ０は、半径ｒ１の円周の内側の領域であり、領域Ａｉは、半径ｒｉ-1の円周と半径ｒｉの円周との間の領域である（ｉ＝１，２，３，…，ｐ）。
【００１４】
このとき、下記（１）式に示されるように、偶数番目の領域Ａ０，Ａ２，Ａ４，…それぞれの領域内で各位置における位相変調量φは「φ＝ｑθ」なる式で表される。また、奇数番目の領域Ａ１，Ａ３，Ａ５，…それぞれの領域内で各位置における位相変調量φは「φ＝ｑθ＋π」なる式で表される。ただし、ｐは、動径指数と呼ばれ、自然数である。また、ｑは、偏角指数と呼ばれ、０以外の整数である。
【００１５】
【数１】
2008134450.tif 000003
【００１６】
なお、ｎを整数としたときに任意の位相αと位相(α＋２ｎπ)とは互いに等価であり、また、位相調整量の分布φ（ｒ，θ）はオフセット値を無視して相対値のみを問題とすればよい。これらのことを考慮して、上記（１）式で表される位相変調量φは、位相αから位相(α＋２π)までの範囲に制限することが可能である。αは、任意値であるが、数式の上では値０とするのが好ましい。
【００１７】
動径方向ｒについて設定されるべきｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの円周で表される位相不連続線は以下のように設定される。位相不連続線は、光強度が０となる部分（「節」）に存在する。ＬＧモードの場合、光強度分布の節はSonine多項式の零点から求めることができる。つまり、下記（２）式で定義されるSonine多項式Ｓｐｑ(ｚ)が値０となる変数ｚの値を求める。Sonine多項式Ｓｐｑ(ｚ)は、ｐ次の多項式であり、ｐ個の異なる正の実数根ａ１〜ａｐを持つ。これらの根ａｉと光ビームの径を指定するパラメータｗとを用いれば、位相不連続線の半径ｒiは、下記（３）式で表される（ｉ＝１，２，３，…，ｐ）。
【００１８】
【数２】
2008134450.tif 000004
【００１９】
【数３】
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【００２０】
このような位相変調φ（ｒ，θ）を光位相変調素子１５により受けて反射された光は、動径指数がｐで偏角指数がｑであるＬＧモード光となる。上記（１）式から判るように、偏角指数ｑのＬＧモード光は、その偏角指数ｑが正値であれば、偏角変数θが値０から値２πまで変化する間に、位相値が値０から値２πまでの変化をｑ回くり返すことになる。偏角指数ｑのＬＧモード光は、その偏角指数ｑが負値であれば、偏角変数θが値０から値２πまで変化する間に、位相値が値２πから値０までの変化を−ｑ回くり返すことになる。また、動径指数ｐのＬＧモード光は、偏角変数θを固定したとき、位相不連続線を境界線として接する二つの領域に属する点における位相値がπの差を持つ。
【００２１】
図２〜図４それぞれは、光位相変調素子１５における位相変調量の分布の例を示す図である。図２は、動径指数ｐおよび偏角指数ｑそれぞれを１〜３の各値として、光位相変調素子１５における位相変調量の分布を濃淡で示している。図３は、光位相変調素子１５における位相変調量の分布を三次元表示したものであり、光位相変調素子１５における位相調整量をｚ軸としている。図３（ａ）は、動径指数ｐが０で偏角指数ｑが１である場合の光位相変調素子１５における位相調整量の分布を示している。図３（ｂ）は、動径指数ｐが１で偏角指数ｑが１である場合の光位相変調素子１５における位相調整量の分布を示している。図４（ａ）は、動径指数ｐが２で偏角指数ｑが４である場合の光位相変調素子１５における位相調整量の分布を濃淡で示している。また、図４（ｂ）は、動径指数ｐが５で偏角指数ｑが１である場合の光位相変調素子１５における位相調整量の分布を濃淡で示している。
【００２２】
偏角方向の位相変調および動径方向の位相変調は、１つの光位相変調素子により与えられてもよいし、２つの光位相変調素子により個別に与えられてもよい。図５は、後者の場合の２つの光位相変調素子それぞれにおける位相変調量の分布の例を示す図である。同図（ａ）は、動径指数ｐが２で偏角指数ｑが３である場合の位相調整量の分布を濃淡で示している。同図（ｂ）は、動径指数ｐが２である場合の第１光位相変調素子における位相調整量の分布を濃淡で示している。同図（ｃ）は、動径指数ｐが０で偏角指数ｑが３である場合の第２光位相変調素子における位相調整量の分布を濃淡で示している。なお、同図（ｂ）に示される位相変調量分布は、上記の（２）式および（３）式で与えられるものであるので、偏角指数ｑにも依存している。同図（ａ）の位相調整量分布は、同図（ｂ）および同図（ｃ）それぞれの位相調整量分布の和として表される。動径方向および偏角方向それぞれの位相分布を与える順番はどちらでもよい。
【００２３】
図６および図７それぞれは、本実施形態に係る光ビーム発生装置１から出力されるＬＧモード光のビーム断面における強度分布の例を示す図である。図６は実測値を示し、図７は理論値を示す。動径指数ｐおよび偏角指数ｑそれぞれを１〜３の各値としている。これらは、図２に示された光位相変調素子１５における位相変調量分布に対応している。これらの図において、何れのモードでも実測値（図６）と理論値（図７）とは互いによく一致しており、得られた光がＬＧモード光となっていることが分かる。
【００２４】
図８は、本実施形態に係る光ビーム発生装置１から出力されるＬＧモード光のビーム断面における強度分布の例を示す図である。同図（ａ）は実測値を示し、同図（ｂ）は理論値を示す。動径指数ｐは５であり、偏角指数ｑは１である。これは、図４（ｂ）に示された光位相変調素子１５における位相変調量分布に対応している。これらの図から判るように、このような高次のＬＧモード光をも高精度かつ高品位に生成することができる。
【００２５】
以上のように、本実施形態に係る光ビーム発生装置１は、動径指数および偏角指数ともに高次のＬＧモード光をも高精度かつ高品位に生成することができ、このような高次のＬＧモード光を用いることにより更なる応用が期待され得る。
【００２６】
なお、上記実施形態では光位相変調素子１５は反射型のものであったが、本発明では透過型の光位相変調素子が用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る光ビーム発生装置１の構成図である。
【図２】光位相変調素子１５における位相変調量の分布の例を示す図である。
【図３】光位相変調素子１５における位相変調量の分布の例を示す図である。
【図４】光位相変調素子１５における位相変調量の分布の例を示す図である。
【図５】２つの光位相変調素子それぞれにおける位相変調量の分布の例を示す図である。
【図６】本実施形態に係る光ビーム発生装置１から出力されるＬＧモード光のビーム断面における強度分布（実測値）の例を示す図である。
【図７】本実施形態に係る光ビーム発生装置１から出力されるＬＧモード光のビーム断面における強度分布（理論値）の例を示す図である。
【図８】本実施形態に係る光ビーム発生装置１から出力されるＬＧモード光のビーム断面における強度分布の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…光ビーム発生装置、１０…レーザ光源、１１，１２…凸レンズ、１３…アパーチャ、１４…ビームスプリッタ、１５…光位相変調素子、１６…ミラー、１７，１８…凸レンズ、１９…ＣＣＤカメラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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