Multidisciplinary Science of Laser and Material

光科学と物質科学の最先端融合研究
P3 Photonics

Collaboration of Polarization, Phase & PatternHighly intense laser ﬁeld

non-linear & non-equribrium reaction
東北大学多元物質科学研究所
プロセスシステム工学研究部門
光物質科学研究分野
佐藤俊一研究室

ベクトルビーム
Vector beams
ベクトルビーム (Vector beams)

Focusing of radially polarized beam
(intense longitudinal electric ﬁeld)

ビーム断面において、偏光分布が不均一なビームはベクトルビームと呼ばれている。
上図の軸対称偏光ビームの中でも、特に径偏光ビームは、ユニークな集光特性（強い軸方向電場や微小スポット形成）を示すことから注目を集めている。

径偏光ビーム発生 (Generation of Radially polarized beams)
Radially polarized Nd:YAG laser beam (TM01mode)
Themal lensing Thermal birefringence
Ordinary ray (azimutal polarization)
Extraordinary ray (radial polarizaiton)

Output power: 41 W
2M : 2.1 (theory: 2.0)

output

直接レーザー共振器から、径偏光ビームを発生させる方法の開発を進めている。こ
こでは熱効果を用いた、極めて簡便な方法を示している。複屈折性材料を用いた、
Ti:sapphire レーザーからの径偏光ビーム発生にも成功している。

Multi-ring Nd:YAG laser beam (TM0n mode)
Output beam
Photonic crystal mirror withreflectivity modification

TM02

TM03

TM04

偏光選択性を有するフォトニック結晶ミラーに反射率変調を施すことによって、多重リングを持つ径偏光ビームを選択的に得る方法を開発した。共振器長を変えるだけで、リングの数（モード数）を選択することが可能である。

ダークスポット形成 ( 計算）(Dark spot formation)
2x /λ12(a) TM02

12(b) v-TM02

100-1-1-1-2-2-22 -2-22 -2-10z /λ12(c) v-TE02

10-101-1z /λ0z /λ122(d) c-LG11

100-1-1-2-2-101z /λ

2-2-2(e) l-LG11-10

12z /λダークスポットとは、焦点での強度がゼロになる特殊なスポットである。ベクトル回折理論の計算によって、いくつかのベクトルビームにおいて新しい特性を持つダークスポットが形成されることが分かった。

期待される応用例 (Promissing applications)
Particle acceleration
Longitudinal
Electric Field

Laser processing

Super-resolution microscopy

accelerated positron,
heavy particle~100MeV

径偏光ビームは、焦点付近に強い縦電場が発生することや、全ての光線が p 偏光になることから、粒子加速、レーザー加工、微粒子操作、高分解能顕微鏡等への応用が期待されている。

高強度レーザー場によるシングルナノ微粒子作製
Single nano-particles synthesis by intense laser ﬁeld
高強度レーザー場と物質 (Highly intense Laser Field and Material)
Tunnelingionization

Hydrogen atom+e-eElectric field E = 5.14×1011 V･m--1
Laser field I = 6.95×1016 W･cm-22

Weak laser ﬁeld

Intense laser ﬁeld

フェムト秒レーザーパルスを強く集光すると、1017W/cm2 程度の強い光の場を形成することができる。この電場は、水素原子内の陽子と電子が作るクーロン電場と同程度である。この時、電子はトンネルイオン化によって原子から離れる。分子の場合には、原子間結合が切断されると考えられる。

ベンゼン (Benzene) -> DLC 粒子 (DLC nanoparticles)

液体ベンゼン（左図）にフェムト秒レーザー光を照射すると、透明だった液体が次第に濁ってくる（中図）。さらに、液中には黒色の固形物が生成されていることが肉眼でも確認できる（右図）。ラマン散乱や高分解能透過電子顕微鏡観察結果から、固形物はナノオーダーのダイヤモンド様カーボンであると考えられる。

塩化金酸 (HAuCl4) -> 金ナノ粒子 (Gold nanoparticle)
塩化白金酸 (H2PtCl6) -> 白金ナノ粒子 (Platinum nanoparticle)
Gold

Platinum

20 nm

20 nm

塩化金酸水溶液にフェムト秒レーザー光を照射すると、液体は金微粒子の局在表面プラズモン吸収に特徴的な赤紫色を呈する（左図）。白金の場合 ( 右図）、溶液の色の変化は小さいが、それぞれの図の右側に示した透過電子顕微鏡 (TEM) 写真からわかるように、数ナノメートルの粒子が生成されている。

混合溶液 -> 合金（金 - 白金）ナノ粒子 (Gold-Platinum alloy nanoparticle)

Au100Pt0 Au90Pt10 Au80Pt20 Au70Pt30 Au60Pt40 Au50Pt50 Au40Pt60 Au30Pt70 Au20Pt80 Au10Pt90 Au0Pt100

塩化金酸と塩化白金酸の混合溶液にレーザー光を照射すると、両者の合金微粒子が生成される。混合溶液中の金と白金の割合に応じて、合金の組成も変化することが、色の変化（上図）からわかる。金 - 白金合金は一般に二相分離してしまうが、粒径が小さいと、全率固溶の合金が得られ、燃料電池用等の触媒への応用が期待される。

光による電子ビーム制御
Control of electron beam by light
光波から電子波への波面変換 (Transformation of phase front from light to electron)

光で電子を制御する技術の開発を目指している。第一段階として、物質を仲介役とした（光- 物質 - 電子）波面制御技術の開発を進めている。

レーザー加工と電子渦発生 (Laser processing and electron vortex generation)
35 nm Si membrane
Vortex mask (ℓ=1)-10+1Vortex electron beams

10 µm

ふたつの光ビームの位相と振幅を変調して生成した様々な干渉パターンでのレーザー加工を行っている。FIB(Focused Ion Beam) では容易ではない、厚さ 100 nm 以下の支持基板のない薄膜の加工をシングルショットで行うことが可能で、電子波に対して位相素子として機能する。ここではフォークパターンを持つ回折格子を作製し、電子渦の高効率発生を確認した。

メンバー
MemberName
Shunichi Sato
Yuichi Kozawa
Yuuki Uesugi
Ayano TanabeJunko Nakagawara
Wakako Ishikawa
Teppei Nishi
Naoto Katagiri
Masaki Sato
Ryota Fukushima
Yoshito Kawamura
Yusuke Tsuchiya
Sho Nakaya

Position
Professor
Associate Professor
Assistant Professor
Assistant Professor
Office Administrator
Technical Staff
Graduate (D1)
Graduate (M2)
Graduate (M2)
Graduate (M2)
Graduate (M1)
Graduate (M1)
Graduate (M1)

What he/she is involved in
Principal Investigator
Vector beams
Light-electron interaction
Laser applications
General affairs
Technical support
Laser processing
Physical property of NP
Vector beam processing
Control of electron beam
Material transformation
High performance imaging
Light beam manipulation

東北大学多元物質科学研究所 佐藤俊一研究室〒980-8577 仙台市青葉区片平 2-1-１
Tel: 022-217-5146, Fax: 022-217-5145, URL: http://satolab.tagen.tohoku.ac.jp
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Apr. 2019