| 研究課題/領域番号 |
20K05364
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| 研究機関 | 高知工科大学 |
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研究代表者 |
小林 弘和 高知工科大学, システム工学群, 准教授 (60622446)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 幾何学変換 / 光渦 / 光の軌道角運動量 / 動径モード / 空間位相変調器 |
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| 研究実績の概要 |
軌道角運動量(OAM)を持つ光波であるラゲールガウス(LG)ビームは様々な分野への応用が期待されている。LGビームはOAMに対応する方位角モードと、それとは別の自由度として動径モードを有する。本研究では幾何学的変換を利用してLGビームの方位角モードと動径モードのモード変換技術を確立し、その応用について考える。
本年度は動径モード変換に関する理論解析と、3逓倍および1/2分周のモード変換の実験を行なった。動径モード変換の理論解析については、動径モードを固有値に持つ微分演算子（モード演算子）に対して幾何学変換を施した際に、固有値が逓倍あるいは分周されるように条件を課すことで動径モード変換に必要な条件を導出することを試みた。結果的には有用な座標変換を見出すことはできなかったものの、座標変換によるモード演算子に関する知見を得ることができた。3逓倍と1/2分周変換については、シミュレーションと合致する実験結果を得ることができ、所望モード以外のモードが生成されるクロストークを実験的に評価した。
また昨年度より進めているイタリア・パドヴァ大学のGianluca Ruffato助教との共同研究においては、OAM逓倍・分周変換の過程で現れるコースティクス（caustics, 光線が重なり合い明るく見える包絡線）についての理論研究成果をもとにした実験を行ない、実際に理論通りのコースティクスが得られることを確認した。この成果は論文としてOptics Communicationsにすでに採択されており、近々出版される予定である。さらにフランス・ボルドー大学のEtienne Brasselet教授との共同研究であるOAMビームを用いた液晶分子の再配向制御についても、空間的に異なる偏光分布を持ったビームや無偏光状態のビームを利用した再配向に向けて引き続き実験を実施している。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
まず動径モード変換の理論解析として、動径モード演算子に対して幾何学変換を施した際に、固有値が逓倍あるいは分周されるように条件を課すことで動径モード変換に必要な条件を導出することを試みた。単一の幾何学変換では実装不可能であることが示されたため、複数の幾何学変換の組み合わせで実装するための条件の導出を試みたが、有用な幾何学変換を見出すことは未だ実現できていない。逓倍・分周変換の実験では波長633nmのHeNeレーザ光に対して、光渦リターダと呼ばれる素子を用いてOAMビームを生成し、空間位相変調器（SLM）を用いて3逓倍および1/2分周変換を実装した。シミュレーションと合致するモード変換が確認でき、クロストークは数%程度と見積もることができた。
パドヴァ大学との共同研究においては、OAMビームの逓倍・分周変換過程に現れるコースティクスの原理検証実験を行なった。光ビームの断面振幅分布を幾何学変換する際には、その変換過程において光線近似の下で振幅値が発散する地点が有限の強い輝線すなわちコースティクスとして観測される。細いリング状の強度分布を持つ光ビームを入射光とした場合にはコースティクスはある特定の伝播位置でのみ観測可能であった。一方で入射光を通常のガウシアン分布とすれば、動径方向に広い分布を持つためコースティクスも伝搬方向に広がって分布することが理論的に明らかとなり、実際に長距離伝搬するコースティクスを実験的に確認することに成功した。
ボルドー大学との共同研究においては、入射光ビームと液晶分子の相互作用を逆に利用して、液晶分子の再配向を別のプローブ光を用いて観測する実験系を構築し、再配向を誘起したポンプ光ビームの特性を評価した。さらに空間的に異なる偏光分布を持ったビームや無偏光状態のビームを生成する実験系を現在構築している。
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| 今後の研究の推進方策 |
方位角モードの逓倍・分周モード変換についてはさらにクロストークを低減するために、SLMに表示する変換用位相分布のパラメータを変えながら最適化を行なっていく。また動径モード変換については残念ながら未だ有効な変換手法が明らかにできておらず、理論研究の更なる進展が必要である。実験としては、特定の動径モードに対するモード変換から順次実装していく予定である。
パドヴァ大学との共同研究においては、これまでは主に逓倍・分周変換の過程で現れるコースティクスを研究対象としてきたが、逆に所望のコースティクスを得るために必要となる座標変換や位相分布を理論的、実験的に明らかにしていく。より一般的な形状を持ったコースティクスを実験的に生成することができれば光波による微粒子操作などへの応用が期待される。
ボルドー大学の共同研究においては、入射ポンプ光を空間的に異なる偏光状態を持ったベクトルビームとすることで得られる液晶配向制御について実験を行なう。また無偏光状態とすることで、ポンプ光のポインティングベクトル（エネルギーの流れを表すベクトル場）を直接的に可視化する実験も実施する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍での出張回数の減少に伴い次年度使用額が生じた。2022年度からは出張も可能となる予定であるため、旅費として使用することを予定している。
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