文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング

第67回 東北大学 多元物質科学研究所（2023.12.1)
Institute of Multidisciplinary Research for
Advanced Materials (IMRAM), Tohoku University

12:05－12:10 ：研究所・センターの概要
12:10－12:25 ：空間構造を持つ光の応用展開
小澤祐市 准教授
12:25－12:45 ：質疑応答
IMRAMキャラクター

RAM ちゃん1

多元物質科学研究所とは
平成13年 4月 国立学校設置法の改正により素材工学研究所（旧選鉱製錬研究所、S16設置）、科学計測研究所（S18設置）、反応化学研究所（旧非水溶液化学研究所、S19設置）を再編統合（異分野融合）し、多元物質科学研究所設置。

多元的に物質を科学する

物質創成科学 プロセス科学
有機・無機、ハイブリッド
機能設計、物質変換、磁性材
デバイス、創薬

超臨界、高温合成、粉体プロセス
製鉄プロセス、バックエンド工学
資源循環、固体合成プロセス

R5.4.1：48分野、142名

計測科学
X線、中性子、電子顕微鏡
レーザー、SPM、位相光学
4D計測、その場観察技術室

機械工場（設計、試作）、ガラス工場（特殊機器）、広報・情報室、共用機器管理🔗🔗研究シーズを生かした連携事業

・ソフトマテリアル研究拠点（企業、NanoTerasと連携）
・全国共同利用・共同研究拠点＆アライアンス事業（MEXT事業）
・企業との共同研究部門（産学連携）2

アカデミア・社会との連携ネットワーク
NanoTerasu

福島F1

東北大学 国際放射光イノベーション・スマート研究センター（SRIS）
東北大学 グリーンX-TECH研究センター（サイエンスパーク）
東北大学 原子炉廃止
措置研究センター

物質・デバイス領域
共同研究拠点事業（ネットワーク型）

九大先導研

農学研究科

多元物質科学研究所
北大電子研

東北大多元研

阪大産研

情報科学研究科

４研究部門
２研究センター

工学研究科

医工学研究科
理学研究科

ソフトマテリアル研究拠点

計測・計算融合を目的とした、部局を超えた教員ネットワーク
流体研

新規導入
AIクライオ
電子顕微鏡

サイバーサイエンスセンター
片平キャンパス

東工大化生研5大学5附置研の研究者400名以上による「人・知・インフラ」のNW
約500件/年の共同研究を実施東北大学 TSC

２共研部門／１共創研
企業・社会ニーズに応える連携

非鉄精錬プロセス研究（資源循環）
次世代電子顕微鏡技術の開発
光メタセンシング（光操作素子）

機器・設備共用ネットワーク
青葉山
キャンパス

星稜キャンパス3

東北大学多元物質科学研究所運営協議会
2022年1月24日@オンライン

空間構造を持つ光の応用展開
小澤 祐市(こざわ ゆういち)

東北大学多元物質科学研究所・准教授
光物質科学研究分野（佐藤（俊）研究室）
4

空間構造を持つ光ビームとは (Structured light beam)
強度（振幅）分布
直線偏光

レーザー光

ガウスビーム

円偏光

Ex

Ex

従来の光ビーム：“Conventional” beams→ 振幅・偏光・位相（光を特徴づける基本的なパラメータ）
はビーム断面でほぼ一様振幅・偏光・位相がビーム断面で分布（構造）を持つことができる→空間的に不均一なビーム：空間構造を持つ光（ビーム）5「空間構造を持つ光(Structured light)」で実現する驚くべき特性•

伝搬しても”広がらない”非回折伝搬特性
ベッセルビーム•らせん波面により軌道角運動量を持つ
光渦ビーム(Vortex beams)

wikipedia.org
Appl. Phys. A 112, 20 (2013)•

放射状の偏光分布を持つ径偏光ビーム（軸方向電場の発生）

縦電場, Ez•

Opt. Commun.
179, 1 (2000)

伝搬に伴い“曲がる”自己湾曲伝搬特性を持つエアリービーム
Phys. Rev. Lett. 99, 213901 (2007)••

全ての偏光状態を持つフルポア
ンカレビームPhys. Rev. Res. 3, 023055 (2021)

Vortex beam trapping
recorded in our labs

中空状の集光スポットを生み出す
方位偏光ビーム

無限小の暗点！
Prog. Opt. 66, 35 (2021)•

突然集光する自動集光ビーム
Opt. Lett. 35, 4045 (2010)•

擾乱に対しても優れた伝搬をするピンビーム
APL Photon. 4, 076103 (2019)振幅・偏光・位相を空間的に構造を持つ（デザインする）ことで従来には無い機能や性能が発現（2000年代以降に急速に研究が発展）⇒光自身の特性を駆使した新たな応用展開
超解像イメージング，3次元イメージング，レーザー加工，光トラッピング，量子光学，光通信，光記録，粒子加速，物質合成／反応制御，，，，超解像・高精度イメージング

3次元イメージング

微粒子操作
レーザー微細加工

光の本質的な性質に着目する独自のアプローチで研究を推進現在までに取り組んできた主な研究テーマ「空間構造を持つ光」を生み出す「空間構造を持つ光」を理解する

ベクトルビーム光源の開発

Opt. Lett. (2005)

Opt. Lett. (2006)

APEX (2008)「空間構造を持つ光」を活用する
光トラッピング

Opt. Express (2010)

共焦点レーザー顕微鏡

Opt. Express (2011)

差引イメージング

光ケージ

Opt. Lett. (2006) JOSA A (2007)

偏光特異点

Opt. Express (2013)

レーザー加工 3次元イメージング

Opt. Lett. (2014)

スーパーオシレーション

Optica (2018)

微小集光Opt. Lett. (2018)

微細加工

Opt. Lett. (2020)

Sci. Rep. (2019)

Biomed. Opt. Express (2022)

光の空間構造を制御することで光波／レーザー光の潜在的可能性を極限的に引き出す8

ベクトルビームは普通の光ビームと何が違う？
直線偏光（従来の光）光ビームの強い集光 ⇒ 光のベクトル的性質が顕在化（高倍率な光学顕微鏡の対物レンズでの焦点など）

Linear

ベクトルビーム（軸対称な偏光分布）

焦点では横電場が支配的（通常の集光）

Radial軸方向電場（縦波成分）の発生（スポット状）

Azimuthal

矢印：偏光方向

完全なダークスポットを維持

K. Otomo, T Hibi, Y. Kozawa et al., “10. Super-resolution two-photon excitation microscopy utilizing transmissive liquid crystaldevices” (Super-Resolution Imaging in Biomedicine), CRC Press, pp.189-214 (2016)

偏光の軸対称性に起因して、従来の光ビームでは得られない特性が発現

9

強く集光した径偏光ビームの特異な性質
振幅および位相が分布を持つと焦点中央の集光スポットがさらに小さくなる
レーザー共振器

ベクトルビーム
Circular pol., 0.60λ

基本モード 高次横モード

Airy pattern, 0.54λ

CP-Gauss: 230 nm（通常の光ビーム）
Smaller focal spot

Y. Kozawa and S. Sato, J. Opt. Soc. Am. A 24, 1793 (2007). Y. Kozawa and S. Sato, J.
Opt. Soc. Am. A 29, 2439 (2012). Y. Kozawa and S. Sato, Opt. Express 23, 2076 (2015).

RP-LG5,1: 171 nm

for 532 nm, NA = 1.4 (n = 1.52)

高次径偏光ビームを集光するだけで微小な集光スポットが発生

10光イメージング（レーザー走査型顕蛍光微鏡法）への応用
像面

蛍光信号

物体面

検出器
集光スポット微小スポット
励起光

取得画像
超解像イメージ• 空間分解能（解像限界）は走査励起光のスポットサイズに依存（~200 nm@可視光）• スポットサイズが小さくできれば超解像効果が実現する⇒ベクトルビームが応用できる

観察試料

蛍光ビーズ(170 nm)の共焦点像
Conventional

Y. Kozawa et al., Opt. Express 19, 15947 (2011)
集光スポット ピンホール有

1 μm

125 nm

Y. Kozawa et al., Optica 5, 86 (2018)

生体試料（COS-7細胞・微小管)Superoscillation

532 nm (NA = 1.4)
径偏光ビーム集光によるスーパーオシレーション集光スポットを利用した超解像蛍光イメージングを初めて実証

11

レーザー走査型顕微鏡技術における3次元画像構築と課題
補償光学2光子励起レーザー顕微鏡によるマウス脳深部のin vivo観察

先端的な（レーザー走査型の）光イメージング技術• 生体試料の深部を「生きたまま」で「３次元的に」可視化できる• 生命科学研究では必要不可欠⇒複雑な構造・ネットワーク・機能を「ありのまま」で理解したい

極めて時間の要するプロセス（数十分～時間のオーダー）
３次元観察には観察面の移動が必須⇒本質的に高速化が困難

Yamaguchi et al., ACS Omega 6, 438 (2021).

12光の空間構造制御に基づく独自のアプローチを提案：～空間転置検出型ニードル顕微鏡法
励起光波面制御（空間光変調器）
面内方向への空間座標変換（蛍光）信号「曲がる」光*1

ニードル状
集光スポット深さ情報

Y. Kozawa* et al., Sci. Rep. 9,11687 (2019)*1) JSTさきがけ(’15-’18)

横に「ズレる」光*2

Y. Kozawa* et al., Biomed. Opt.
Express 13, 1702 (2022).
*2) 科研費基盤(B) (’19-’21)

光ニードルの１回の2次元走査のみから、観察面を移動すること無く3次元画像取得が可能！

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「伸びるビーム」と「曲がるビーム」で実現する3次元イメージング
顕微鏡システムの概念図

検出光：非回折・自己湾曲性⇒“曲がる”ビーム

Airy beam
深さ位置分解励起光：非回折・ニードルスポット⇒”伸びる”ビーム

Bessel beam
長焦点深度
イメージング
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なぜ深さ情報を取得できるのか？
面内情報

エアリービーム（自己湾曲伝搬特性）

深さ情報

波面制御
（ビーム変換）深さ情報を強度情報として取得する

ニードルスポットの1回の2次元走査のみから3次元画像構築を実証

PCT/JP2017/021138 (JST出願支援採択), 日／米／独 特許登録済
Y. Kozawa* and S. Sato, Sci. Rep. 9, 11687 (2019).

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空間構造を持つ光でレーザー走査型顕微鏡の限界を超える多重化計算機合成ホログラムの原理により生成した「ズレる」光による深さ位置分解(NA = 1.15, λ = 1040 nm)

20 µm

水中に分散した1 µm蛍光ビーズ

18 µm

60 µm

31 volumes/s• ニードルスポットの連続2次元走査からビデオレートかつリアルタイムでの3次元画像化• 個々の粒子位置の3次元的なトラッキングをレーザー走査型顕微鏡技術として実現
Y. Kozawa et al., Biomed. Opt. Express 13, 1702 (2022).

厚みのある脳スライス標本の迅速可視化
Pyramidal neurons in a fixed mousebrain slice(NA = 1.15, λ = 1040 nm)
MIP image
Needle260 µm(13 scans)=196 slices

NeedlescanGauss
stack

Conventional• 本提案⇒16多重焦点イメージング：厚みのある試料に対しても少ない走査回数（z位置移動）で迅速にサンプルを可視化できる
従来の顕微鏡法に比べて実計測で~11 倍の高速化に成功
Y. Kozawa et al., Biomed. Opt. Express 13, 1702 (2022).

まとめ 光の振幅・位相・偏光がビーム断面で不均一に分布した「空間構造を持つ光」は従来の光ビームでは得られない特異な性質を生み出す

ベクトルビーム

ベッセルビーム エアリービーム

 ベクトルビームを用いた超解像イメージング

 ベッセルビームとエアリービームの伝搬特性（あるいはCGHによるデザイン)に基づくニードル走査型レーザー顕微鏡法における3次元高速イメージング

光の振幅・位相・偏光の空間分布が持つ大きな設計自由度を駆使した新たな応用展開が期待⇒ 空間構造を持つ光の可能性は無限大！