広島大ら,加速器によるベクトルビームの発生に成功

広島大学,名古屋大学,分子科学研究所らの研究グループは,分子科学研究所の放射光源加速器を用いて,ベクトルビームと呼ばれる特殊な光を発生することに成功した(ニュースリリース)。

通常の直線偏光は,その断面のどの場所でも同じ方向に偏光するが,ベクトルビームは,偏光方向が中心軸のまわりで場所に応じて次第に変化し,一周回って元の向きに戻る。ベクトルビームには様々な種類があるが,例えば,電場がビームの中心から外に向う方向に沿って振動するものはラジアル偏光とよばれ,強く集光すると電場が光の進行方向を向き,従来考えられていた限界よりも小さく集光できる。

このようなベクトルビームは光渦と呼ばれる光ビームの重ね合わせで作ることができる。光渦は,その波面が螺旋状になっている特殊な光で,偏光方向や波面構造を適切に選んだ光渦を重ねると様々なベクトルビームが生成できる。しかしながら,従来のレーザーや光学素子を用いた発生法では,その波長域は可視光周辺に限られていた。

研究グループは,円偏光アンジュレータから放射される光が,光渦であることを実証した。それに基づき,2台の円偏光アンジュレータを直列に並べて,2つの光渦ビームを重ね合わせてベクトルビームを生成することを着想した。

実験は,分子科学研究所の小型高輝度放射光源の光源開発用ビームライン(BL1U)を用いて行なった。BL1Uでは一直線に並んだ2台のアンジュレータから出てくる紫外線領域の光ビームを鏡などの光学素子を通すことなく取り出すことができる。

2台のアンジュレータから旋回方向が互いに逆の円偏光の光渦紫外線ビームを生成し,取り出した光を偏光フィルターを用いて,その偏光の向きの空間分布を詳細に調査した。その結果,光の偏光方向が光ビームの中心軸のまわりで変化していた。また,2台のアンジュレータの間の電子軌道長を変えることで2つの光ビームの重なり合うタイミングを制御すると,偏光の向きが一斉に変化する様子を観測できた。その結果は,計算機シミュレーションとも一致した。

研究により,放射光によってベクトルビームを作りだすことができることが初めて実証された。この手法を大型の放射光施設へ導入することで,X線ベクトルビームを生成することができる。また,特性の異なる様々なアンジュレータを組み合わせることで,多彩なベクトルビームを作り出すことができ,物質科学や生命科学研究における新たな研究手法の開発に結び付くことが期待されるとしている。

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