波長可変・多重メガ光渦形成技術の確立

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01846
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中田 芳樹 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (70291523)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 東海林 竜也 神奈川大学, 理学部, 准教授 (90701699)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 光渦 / パラメトリック発振器 / 周期構造 / レーザートラッピング

Outline of Annual Research Achievements

「光渦」は電磁波の一形態であり、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つ。光渦を用いたSTED超解像顕微鏡が2014年にノーベル化学賞を受賞したことから一躍脚光を浴び、現在では軌道角運動量多重光通信やカイラル構造形成など多方面に応用されている。本研究では、これまでに開発した干渉パターンの制御法を発展させ、複数光渦が精密配列した新しい光の形態「メガ光渦」の存在を実証し、さらに2波長独立制御を行うことである。本年度の研究計画は、1．メガ光渦シミュレーターの改良による2波長化、2D・3D化、2．光強度分布の時間分解解析による螺旋波面の証明、3．パラメトリック発信器の導入、4．深層学習による粒子解析法の構築である。以下に概要を説明する。
1．これまでに開発した2D干渉パターンシミュレーションコードを改造し、2波長を同時に入力出来るようにした。さらに、エクセルファイルを利用したパラメーター入力を行えるよう改良した。また、3D出力を可能にした。
2．上記のシミュレーションコードを用い、出力を3D化することで螺旋波面を視覚的に捉えることが可能になった。
3．Ekspla社のNT242を導入した。シグナル・アイドラー光同軸の特注仕様とし、周辺機器と合わせて動作テストを行った。
4．PC上に深層学習による粒子解析システムを構築した。解析モデルとして、既報のケイ素ナノ構造増強光ピンセットによるポリスチレン粒子の多粒子捕捉を利用し、解析精度の改良と集合過程を分析した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

概要の通り、今年度の研究実施計画をおおむね達成した。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度-1：可変波長メガ光渦の発生と観察を行う。波長を変化させた場合に規定の位相差を付与する位相変調機構を構築し、メガ光渦を観察する。
令和4年度-2： 0次光を平面参照波として用い、メガ光渦と干渉させる。観察される螺旋の腕の本数と前年度に開発したシミュレーターによる結果の比較から軌道角運動量を推定する。これにより、位相変調機構による軌道角運動量制御の動作確認を行う。

Remarks

修士学位論文「位相特異点を持つ干渉パターンにおける軌道角運動量の実証」森塚翼
学士学位論文「干渉パターンを用いた周期配列光渦の形成とシミュレーターの検証」上田翔平