阪大,あらゆる光パターンの光輻射圧分布を計算

大阪大学の研究グループは,任意の光強度分布を照射された誘電体表面に働く光輻射圧分布のシミュレーションを初めて可能にした(ニュースリリース)。

アゾポリマーなどの誘電体材料表面に光を照射すると,光輻射圧が発生する。よって,光の分布を人工的に制御することで光輻射圧分布を制御し,ナノ・マイクロ構造を形成する事ができる。

最近では,円偏光ガウシアンビームの集光スポットによって誘起される螺旋状の光輻射圧分布を用いたカイラル構造の作製が行なわれている。このようなカイラル構造は,光制御デバイスや分子キラリティ識別デバイスなどの新しい応用が期待されている。

これらの用途では,単一構造を超配列化することでカイラル構造の機能を高め,さらに検出が困難な信号を増強できる。そこで,正確な周期性を持った干渉パターンのマルチスポットをカイラル構造形成に利用することが考えられる。

一方どのような干渉パターンにおいて,カイラル構造形成に適した光輻射圧分布が配列するかは明らかでなかった。

円偏光ガウシアンビーム集光スポットを用いた従来のカイラル構造形成条件を調べるために開発された,円筒座標系における光輻射圧分布のシミュレーションコードは完成している一方,干渉パターンを用いたマルチスポット照射における光輻射圧分布のシミュレーションは困難だった。

研究グループは,円筒座標系における光輻射圧分布のシミュレーションコードを直交座標系で再構築することで,干渉パターンを含む任意の光強度分布における光輻射圧分布の計算を初めて可能にした。

実際に円偏光4ビーム・6ビーム干渉パターン及びガウシアンビーム集光スポットにおける光輻射圧分布のシミュレーションを行なった。さらに,各パターンのスポット中心Oに対し方位角θ上にある点 R(|r|,θ)における光輻射圧の強度|F|及び偏角θ’の変化をグラフ化した。

その結果,6ビーム干渉パターンの場合はガウシアンビーム集光スポットと同様にθに対して一定の|F|及びθ’が得られることが分かった。これは,ガウシアンビーム集光スポットを用いたカイラル構造形成時と同じ光輻射圧分布が6ビーム干渉パターンにおいても発生してる事を表しているという。

実際に干渉パターン加工装置を構築し検証実験を行なったところ,6ビーム干渉パターンではカイラル構造が形成された。一方,4ビーム干渉パターンではθに対して|F|及びθ’が変動し,一定のパラメーター範囲における検証実験ではカイラル構造が形成されなかった。

干渉パターンや偏光など光の制御性を光輻射圧分布制御に応用することで,周期配列したカイラル構造の形成が期待でき,光制御デバイスや分子キラリティ識別デバイスなどを高度化・高感度化する事が期待出来る。研究グループは,トポロジカルフォトニクスの発展にも大きく貢献するとしている。

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