アクロマティック軸対称波長板とその軸対称偏光 …6 June 2013 Y.Otani Utsunomiya Univ.! アクロマティック軸対称波長板とその軸対称偏光ビームの発生技術

6 June 2013 Y.Otani Utsunomiya Univ.

アクロマティック軸対称波長板とその軸対称偏光ビームの発生技術

宇都宮大学オプティクス教育研究センター　

教授　大谷幸利

埼玉医科大学保険医療学部　医用生体工学科　

准教授　若山俊隆


従来技術とその問題点

■軸対称偏光変換ビームとは？

（１）ビーム断面内の特殊な偏光分布（２）高い集光性

分光分析計測や微小物体の移動、微細加工分野で注目

■ 軸対称偏光変換ビームの発生方法（従来）

①光学結晶、液晶位相子　⇒ 小型化困難、温度依存性や波長依存性有り ②シリコン基板上に溝加工したもの

　⇒ 赤外光に限られる ③金ナノスリット（ガラス基板上への周期性金薄膜パターン）　⇒ 半導体プロセスを利用し、プロセス複雑

ラジアル偏光板軸対称波長板


軸対称偏光ビーム

軸対称偏光ビーム

　光強度分布：　ドーナツ

　偏光分布：　軸対称

　位相分布　：　等位相面

　a.　Z偏光場

　b.　レーザ加工装置

　c.　電子加速

　d.　超分解能顕微鏡

　e.　偏光測定装置 f.　共焦点顕微ラマン装置　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　など

Z-polarizationOptics Express, 19, 17, 15947-15954 (2011)

Phys.Rev.Lett.,74, 4, 546-549 (1995)

Optics Express, 18, 21, 22305-22313 (2010)

Optics Express, 7, 2, 77-87 (2000)

軸対称偏光ビームの応用

光強度分布偏光分布

z偏光場の発生

軸対称ビームはどこで使われるか？

・想定される用途


βββ

δΔtansin

1sintan4222

1

nn −

== −

フレネル反射による位相差 Δ

F.Mooney : A modification of the Fresnel rhomb, JOSA (1952).

M. Born, E. Wolf : Principle of Optics,” (Cambridge).

光源

偏光子（45°）

フレネルロム (0 °)

β Δ=2δ

θ�

ポアンカレー球

光軸

新技術の特徴－軸対称偏光変換素子－

・反射によって発生する位相差を利用した偏光素子


軸対称偏光変換素子リングビーム

θ

Z Z x

y

y

x θ

β

光源

偏光子

（45°）

円偏光(CCW)

円偏光(CW)


・軸対称波長板の構造


■軸対称偏光ビームＰＢの偏光状態

方位角

（右回り円偏光）

（直線偏光）

■軸対称偏光ビームＰＢの周方向の偏光状態（ポアンカレ球上で表した図）



・傾斜角度βと位相差Δとの関係

＜シミュレーション結果＞

材質：光学アクリル材


位相差Δ：可視光の範囲で９０°±2°


・同軸光学系

出射光

アクロマティック軸対称波長板

入射光

偏光子



・軸対称偏光変換素子を２個の例

光源

（レーザ、ＳＬＤ等）

＜入射光の反射の様子＞

偏光子

反射部

反射部

反射部

反射部（↑直線偏光）出射面

内周面

外周面

光軸

頂点


２Δの位相差


軸対称偏光ビーム方位角θ°= 0～360°の範囲で、直線偏光が４回転する軸対称偏光分布




波長依存性の数値解析の結果(SiO2)：4回反射の同軸光学系

傾き角 β [°]

位相

差Δ

[°

]

n=1.4631＠λ=435nm n=1.4585＠λ=555nm n=1.4563＠λ =675nm

44.3°




AS-‐HWP

H(0) AS-‐HWP

H(0) AS-‐HWP H(0)

AS-‐HWP

H(22.5) H(0)

Q(0) AS-‐QWP H(0)

AS-‐HWP

H(22.5) LP(45)

Q(0) AS-‐QWP H(0) H(22.5) H(0) AS-‐HWP

Q(0) AS-‐QWP H(0) H(22.5) H(0) AS-‐HWP H(0)

H(22.5) H(0) AS-‐HWP

H(22.5) H(0) AS-‐HWP

LP(45)

LP(45)

LP(45)

LP(45)

LP(45)

1

3

5

2

4

6

偏光次数 Polariza(on vortex

光学系




出射口から5ｍｍ 10 cm 15 cm 20 cm 25 cm レーザー径10mm 15mm 20mm 25mm 30mm

クロスニコル下の観察像　→

←【アクロマティック軸対称波長板】　　☑ 素子の大きさ： φ35mm×L50mm 　　☑ ビーム口径　： φ10mm 　　☑ 傾斜角　　　： 44.3°

ビームの出射口

レーザーの伝搬の様子




軸対称偏光変換素子の基本性能（実測データ）

0

90

180

複屈

折

位相

差[°

]

0　　複屈折位相差　　　　　　　　　[°]　

90

180

-90　　主軸方位[°]

0

90

複屈折位相差　：　90°±5° 通常の波長板と同等

【アクロマティック軸対称波長板】 ☑ 材料　　　　：石英 ☑ 素子の大きさ： φ35mm×L50mm ☑ ビーム口径　： φ10mm ☑ 傾斜角　　　： 44.3°

(a)　石英製の素子第1号　 (b)　2重偏光子での観察像




60

80

100

120

140

450 500 550 600 650 700

水晶　波長分散：±28°

ポリマー　波長分散：±30°

雲母

　波長分散：±15°

アクロマティック1/4λフィルム

　波長分散：±9.6°

波長 λ [nm]

複屈

折位

相差

Δ [°

]

本技術（BK7）　波長分散：±0.8°

本技術（SiO2）　波長分散：±4.9°

本技術（Tsurupica）　波長分散：±0.0° 　可視からTHzにおいて

・波長依存性について



部材の種類

(開発機関)

軸対称偏光変換素子

動作波長（ｎｍ）

基本構成・その他

ナノオーダの

周期構造

波長依存性

加工容易性

基本性能

本開発品

精度

基本構成

溶融石英ガラス内部に形成された、ナノオーダの周期構造による偏光状態の制御

１２分割された

表面微細構造　　　　　　　　　

耐久性

透過率（％）

ネマティック液晶利用　　　　　　

ねじれネマティック液晶を含む空間変形液晶光配列波長板

光学アクリルや光学ガラスを材料とし、フレネルロム波長板の光軸に平行な軸回りに回転させた形状（Ｎ回のフレネル反射を利用）

容易（金型での作製も検討中）

極めて優れている悪い

煩雑（半導体プロセス）

設計波長により任意．周期構造に依存し，範囲に限界あり

変換効率（％）

なし（素子構造体の材料に依存）

弱い．微細周期構造のため付着物に弱い

高いが散乱による偏光解消

良いがナノ領域で空間分散がないわけではない

悪い。分割されているだけ劣る

液晶による二色性、偏光子2枚による光強度損失

存在。アクロティック素子は原理上不可能

悪い悪い


液晶のため継時劣化．熱に弱い

弱い　微細周期構造のため付着物に弱い

それなりに高いが左記よりも悪い。散乱による偏光解消

存在。アクロマティック素子は原理上不可能

設計波長により任意．基盤材料が特殊なので左記よりも選べない

屈折率の異なる特殊光学材料を、ナノオーダでの周期構造を自己クローニング効果によって積層さえる。よる偏光状態の制御

基本的に可視光のみ

液晶を使っているため原理上不可能

紫外，可視光からTHzまで

良い

極めて優れている液晶による光吸収

極めて優れている

コスト 1～30万円（樹脂系ならとくに安い）

5～30万円（特注は別）

200～300万円60万円以上


新技術の特徴・従来技術との比較


laser

LP(45)

Q(0)

H(22.5) H(0) AS-QWP

M

M

BS

BS CCD

SOP 1

SOP 2

SOP 2

laser beam 2

laser beam 1

SOP 4 SOP 3

Q(0)

・幾何学的位相によるシリンドリカル・ビームの生成

Under crossed Nicole

Under crossed Nicole

y

x�O𝜃

δ = x2 + y2

想定される用途

偏光観察干渉縞観察


想定される用途

・大学・研究機関に利用される高精度光学偏光素子

　レーザー用軸対称1/4波長板と1/2波長板

・STED顕微鏡やラマン顕微鏡などに付属のレンズ

・次世代光ストレージや光通信などの光学素子

・市販の家庭用天体望遠鏡（コロナグラフ用）用光学素子

　など


・光学樹脂の超精密旋盤による加工技術

☑　THz領域用☑　赤外レーザ加工用

・波長帯域が加工精度に比べて十分長いため加工は容易

・光学ガラス・プラスチックディスクの精密研磨加工技術　　

☑　研磨材専用の微小孔

・光強度の損失は1/100以下に抑える・アキシコンレンズで光渦の導入

実用化に向けた課題


企業への期待

•  本発明は新規な光学素子であり，今後，　幅広いニーズがあるものと予想される。

•  光学素子製造技術，光学素子を組み込んだ　応用展開からニュービジネス創出を期待する。


本技術に関する知的財産権

•  発明の名称：軸対称偏光変換素子及び軸対称　　　　　　　　　　　　偏光ビーム発生方法　

•  出願番号：　　　　特願２０１２ – ０２５１５０　　　　　　　　　　　　（２０１２/０２/０８出願）

•  出願人：宇都宮大学，埼玉医科大学

•  発明者：若山俊隆，大谷幸利　　　　　　　　　　


産学連携の経歴

•  平成17〜19年度　経済産業省関東経済産業局地域新生コンソーシアム「S3-MEMS安全・安心な社会に役立つ計測制御機器用高度機能部材の開発」プロジェクト番号17M3006（研究分担者）．

•  平成18年度　新エネルギー・産業技術総合開発機構：大学発事業創出実用化研究開発事業」「液晶位相変調技術による高性能・円二色性計測装置開発の事前調査」（研究代表者）.

•  平成18, 19年度　経済産業省関東経済産業局地域新生コンソーシアム　　「モアレ法とパターン投影法による高性能新紙幣識別センサーの開発」　　プロジェクト番号18SC3004（研究開発委員会委員アドバーザー）

•  平成18〜20年度　新エネルギー・産業技術総合開発機構：大学発事業創出実用化研究開発事業」「液晶位相変調技術による高性能・円二色性計測装置開発」R&D 　（研究代表者）.

•  平成19〜21年度　新エネルギー・産業技術総合開発機構：大学発事業創出実用化研究開発事業」「デジタルシフタを用いた非接触ユニアクシス型三次元形状計測装置の開発」R&D （研究代表者）

•  平成23〜24年　株式会社フォトロン　技術顧問


お問い合わせ先

宇都宮大学大学

オプティクス教育研究センター

コーディネーター/客員教授　小野明

ＴＥＬ 028－689－7078 ＦＡＸ 028－689－7075 e-mail [email protected]

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