干渉パターンを用いた周期配列光渦の形成
大阪大学 レーザー科学研究所准教授 中田 芳樹（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018212-B2）
キーワード：レーザー，干渉パターン，光渦，カイラル構造

１．研究の目的と背景「光渦」は電磁波の一形態である。光強度が 0 となる特異点を中心に円環状の光強度分布と螺旋状の波面を持ち(図 1)、これに由来する軌道角運動量 を持つ。光渦の特異点を利用した超解像 STED(Stimulated Emission depletion)顕微鏡がノーベル化学賞を 2014 年に受賞し[1]、光渦の特殊な構造と性質が注目された。さらに、光渦の起動角運動量を利用した光通信における帯域幅増大[2] 、光渦加工によるカイラル構造形成[3–8]、計測技術[9]など、活発な研究領域を形成している。単独の光渦形成法は位相板や空間光変調器(Spatial Light Modulator: SLM)などで完成されているが、複数の光渦を形成する場合は SLM の領域制御などが必要になり、物理的な困難が伴う。ここでは、中田がこれまでに行ってきた干渉パターンの形成と制御法、2015年に中田が発見した周期配列した光渦の形成方法、及びそ
図 2 ４ビームまたは 6 ビーム干渉の模式図の実証実験の結果を報告する。

次に、0であるターゲット面、あるいはカメラの撮像面における干渉パターンをシミュレートする。この平面上の干渉パターンは次式で表される。
, , , ,,

∑ ! ,",⋯,,,, , , ,∝,,,,,"$······· (１)図 1(a)螺旋位相板を用いた単一光渦の形成の模式図、(b)はビームの電界強度、は波数、は入射角、は2%& ⁄' は角速度であビームに加えられた位相差、光強度分布、(c)螺旋状波面の模式図る。ここで、平面波は次式で表される。
, , , ,２．干渉パターン形成と制御法
2・1

cos-干渉パターンのシミュレーション方法

干渉パラメータを用いた物質可能による様々な周期配列 3 次元ナノ構造やナノ開口の形成が行われてきた。例えば金属ナノドロップ[10,11]やナノウィスカー[12]の配列,cos,,sin0,cos,sin

sin01······· (２)は電界強度である。これらの 2 式を用い、2λ⁄cの時構造、スピン角運動量と併用した周期配列カイラル構造間を積分する事で干渉パターンが計算出来る。その一部を[13]、異常透過を持つ周期配列ナノ開口などであり、主に図 3 及び４に表す[14–16]。

プラズモニクス分野を中心に基礎研究と応用研究が探索されてきた。一方、干渉するビームのパラメータによる干渉パターンの制御に関する研究を平行して進めてきた。こ
こで、4 ビーム干渉と６ビーム干渉の模式図を図 2 に示す。
干渉角は一定、方位角はΔ

ビームのナンバー）とした。

2π/ （ ：状を持つメタマテリアルを始めとするプラズモニックデバイスの作製が可能である。
次に、パラメータスキャン部の改修を行う事でより広い範囲のシミュレーションを行った。その結果、光渦と同様の特異点を持つ円環状パターンが三角格子配列する事を2015 年に発見した（図 5、未発表）。これを超配列光渦（または mega optical vortex）と名付けた。

図 5(a)干渉パターンで形成される三角格子配列した光渦、(b)(c)その 3D 図。
パターン同士の間隔4は通常の 6 ビーム干渉パターンと同様であり、波長と干渉角で制御出来る。また、図 5(c)で
図34 ビーム干渉パターンのシミュレーション例。右下に各ビーム及び位相の表記、光強度スケールを示す。

分かるように、光強度が 0 となる特異点が直線状に 軸と平行に伸びる特異な形状を持っている。
2・2

超配列光渦形成の実証実験

mW 級 LD を用いた実証実験の結果について説明する。図
6 は装置の概略図である。

図6

干渉パターン形成装置の概略図

レーザーは波長 mW 級 CW 半導体レーザー(ThorlabsCPS532)を用いた。2 枚のレンズからなる46光学系の一端に配置した透過型回折格子(DOE: Diffractive OpticalElement, Holoor)で 6 本の 1 次回折光を発生させ、干渉部にカメラを配置し測定を行う。1 次回折光に位相・強度変調部を挿入することで、図 3、4 で示すような干渉パター
図４6 ビーム干渉パターンのシミュレーション例。位相及び光強度スケールは図 3 と同様である。

ンの形成と制御が可能となる。
測定結果を図 7 に示す（未発表）。図 7(a)の位相差がゼロで強度が同じビームを用いた干渉パターンでは、ガウシ

これらの結果から、ビーム間の位相差及び強度比というアンに相似したスポットが三角格子配列する。これに対し、比較的制御しやすいパラメータを用いる事で干渉パター

図 7(b)では周期4ンの単位構造を様々にデザインする事が可能で有る事がパターンが観測された。図 7(c)は分かった。デザインされた干渉パターンを用いて金属薄膜制御した場合である。それぞれの矢印に沿った光強度分布を加工すれば光強度が弱い部分のみが残り、そのような形から強度がゼロとなる特異点が周期的に配列しているこ

48.8µm で三角格子配列した円環状のを変えて4196µm にとが確認され、図 4 のシミュレーション結果と一致した。
これまでに最短周期44.7µm を達成した。

図8(a)超配列光渦を用いた金薄膜の加工例、(b)拡大図と螺旋のイメージ。

３．まとめと今後
本研究では、光渦を三角格子状に自動配列した「超配列光渦」を形成する事に成功した。光渦の間隔は可変であり、49.5µm から 196 µm まで確認を行った。現状で最大 4,600個以上が配列した超配列光渦の形成に成功した。本研究成果については実験を追加した上で論文発表を行う予定である。
本手法の課題として、各光渦の強度が元のビームプロファイルに従って分布することがある。例えば、ビーム中心の光渦強度が強くなり、周辺部に行くほど弱くなる。これ
を 改 善 す る た め に 、 空 間 光 変 調 器 （ Spatial-Light図7(a)通常の 6 ビーム干渉パターン、(b)メガ光渦の観察結果('48.8µm)。(c)メガ光渦タリングを用いた超精密ビーム整形技術が有効である196µm)。各図の矢印に沿った光強度分布[17–19]。この手法では、正方形や六角形などタイリング532nm、の観察結果(4Modulator: SLM）と46光学系における空間周波数フィル0.72°、4をそれぞれの上に示す。右下は光強度のスケール、下は干が容易な形状へのビーム整形技術が開発済である。
本手法の発展性について述べる。背景で述べたように、渉部の模式図。

単独の光渦を用いた超解像 STED 顕微鏡や加工、情報通信
2・3帯域の増大、また光トラップや加工などに関する研究が進

超配列光渦を用いた物質加工

単独光渦の光源にハイパワーパルスレーザーを用いてめられている。本技術では、これらの応用で超並列操作や加工を行う事でカイラル構造の作製が可能である[7,8]。

ミクロな現象をマクロに発現させる効果が期待出来る。原

よって、超配列光渦を用いて同様の加工を行う事で、配列理的には紫外からテラヘルツまで同様の光学系を用いたしたカイラル構造を一括形成出来る可能性がある。ここで装置構成が可能であり、本技術の波及範囲は非常に広い。

は初期的な結果を示す。光源は Nd:YAG レーザーの第二高

今後フォトニクスの幅広い分野における応用が期待され調波であり（'532nm, Δ ~5ns）、加工部位におけるショットエネルギーはる。

10.6mJである。図 8 は石英基板に堆積した厚さ約 3µm の金薄膜を加工した結果である。パタ謝辞

9.5µm に従った周期構造が形成されており、本研究を遂行するにあたり、公益財団法人天田財団のこれは図 4(c)(d)で示した超配列光渦と同様である。各単2018 年度一般研究開発助成 AF-2018212-B2 によって行わ位加工部の中心部近くに、単独光渦を用いた加工でも見られたものであり関係各位に厚く感謝の意を表する。

ーン周期4れた突起構造が存在する。図 8(b)のように、一部には螺旋状に見える構造も見られ、軌道角運動量1の単独光渦を用いた加工と同様の構造が得られた[3,4,7]。一方、参考文献[1] K.I. Willig, S.O. Rizzoli, V. Westphal, R.

周期の乱れ及び突起構造の中心位置からのずれが見られ

Jahn, S.W. Hell, STED microscopy reveals that

た。前者はビームプロファイルや位相分布の不均一さ、後synaptotagmin remains clustered after synaptic

者は溶融した金属の重力や表面張力による移動などが考

vesicle exocytosis., Nature. 440 (2006) 935–

えられる。これらを解消するために、ビーム形状と波面が939. https://doi.org/10.1038/nature04592.

フラットな光源、フルエンス及びターゲット構造の最適化[2] J. Wang, J.-Y. Yang, I.M. Fazal, N. Ahmed, Y.

が必要であると思われる。

Yan, H. Huang, Y. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M.

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array

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interference

deposition

via

patternsingle

shot

laser

using

laser-induced

forward transfer”, Y. Nakata, E. Hayashi, T.

受賞

1)

SPIE, Fellow, Y. Nakata, January, 2021.

2)

International Journal of Extreme Manufacturing(IJEM), IOP publishing Best Paper Award “Nanodot

Koji, A. Narazaki, T. Shoji, Y. Tsuboi
3)

SPIE, Community champion, Y. Nakata, January,2020.

4)

SPIE, Senior member, Y. Nakata, June, 2019.