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2013 年度 実施状況報告書

ラジアル時空間レンズを用いたフェムト秒パルスの時空間制御と物質加工への応用

研究課題

研究課題/領域番号 24656042
研究機関宇都宮大学

研究代表者

早崎 芳夫  宇都宮大学, オプティクス教育研究センター, 教授 (10271537)

キーワードフェムト秒レーザー / 空間光変調 / 材料加工 / 計測工学 / ベッセルビーム
研究概要

本研究の目的は,空間対称性の高い集光を有するラジアル時空間レンズを実現し,その集光特性を明らかにすることにより,この手法の有効性を示すことである.平成24年度には,光軸の動径方向(ラジアル方向)に分光を実現する素子として,市販されていない円形回折格子を電子ビーム露光を用いて作製した.これを用いて,ラジアル時空間レンズを構築し,時空間レンズの機能があることを確認した.
平成25年度には,レンズパラメータの違いによる集光特性を明らかにすることを目的とした.そのために,スカラー回折理論に基づく光伝搬計算による,時空間レンズの計算機シミュレーションを実装した.解析的に求めることのできるアキシコンレンズ通過後の各波長の波面に対し,円形回折格子,コリメートレンズ,対物レンズ,集光面通過後の波面を,回折計算により求めた.シミュレーションにおいて,パルスの波長幅19nm,アキシコンレンズの底角25度と屈折率1.453,円形回折格子の空間周波数273.6lp/mm,コリメートレンズの焦点距離200mm,対物レンズの焦点距離100mmとした.比較のために,1次元の回折格子で実現される時空レンズとの性能比較も行った.
その結果,ラジアル時空間レンズは,時空間レンズと同様に,パルス伝達時間が光軸から傾くパルスフロントティルトを形成し,対物レンズの焦点において最短パルス52fsを得た.その光伝搬は回転対称であり,回転対称の波面の干渉により光軸付近での強い強度ピークを発生した.ラジアル時空間レンズの光軸上でのパルス幅および強度ピークの変化も,時空間レンズとほぼ同一の結果を得た.以上の結果より,ラジアル時空間レンズで集光されたパルスは,軸方向特性を有しながら,中心に強い強度ピークをもつ面内方向特性を有するベッセルビームプロファイルとなることがわかった.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初から計画していた,計算機シミュレーションの作成を行い,ラジアル時空間レンズの集光特性の評価を開始できた.ラジアル時空間レンズのパラメータを変化させながら最適解を求めることを目指して,基本的な時空間集光特性を知ることができた.あわせて,既存の時空間レンズの計算機シミュレーションも同時に行い,比較した結果,光軸方向上の集光点前後でのパルス幅に関して,ほぼ同じ集光特性が得られた.ラジカル時空間レンズは,光軸上で大きな光強度を有し,ベッセルビームと同様な集光特性も併せ持っていた.ラジカル時空間レンズは,通常の時空間レンズとは異なり,対称な集光分布を有することに加えて,このベッセルビームの様な集光特性を持っていた.このように,最適なラジアル時空間レンズの設計を行うためのツールの開発は終了した
ラジカル時空間レンズの光学的な評価実験では,作製した円形回折格子を用いて,その特性を評価した.大きな円形回折格子を,パラメータを変えながら色々作製するためには,レーザービーム露光装置を必要とするため,問題であった装置の外部振動に対する安定化を試みた.最終的には,レーザービーム露光装置をより安定な実験環境に移設するとの結論に至った.

今後の研究の推進方策

レーザー描画システムを再構築する.その装置を用いて,ガラス基板に塗布したレジストをレーザー露光し,ドライエッチングを行うことによって,高い回折効率と高い耐エネルギーを有するバイナリの円形回折格子を作製する.なお,再構築したレーザー描画システムが十分な性能が得られない場合には,描画時間の問題を有するものの,電子ビーム露光を用いて円形回折格子を作製する.バイナリの素子の場合,一次回折光の理論的な回折効率は40%であるが,ここでは,素子作製誤差等を考慮して,回折効率20%を目指す.
再生増幅型チタンサファイアレーザーを光源として,円形回折格子を用いて時空間レンズを構築し,照射パルスエネルギーやパルス幅を変化させた時の加工径や深さを計測し,透明材料の加工特性を評価する.円形回折格子で分散された光に対してコリメートレンズで形成する分光面に空間光変調素子を配置し,光学系やサンプル内で生成される波長分散を補正する.
計算機シミュレーションによって,ラジアル時空間レンズの時空間集光特性を,回折格子の格子間隔によって決まる回折角度,光源のスペクトル幅,対物レンズの開口数に対して評価し,最適なレンズパラメータを決定する.
再生増幅型チタンサファイアレーザー(パルス幅35fs)から出射されるパルスを中空ファイバコンプレッサーによるサブ10fsパルスの発生実験を行い.発生されたパルスを評価する.

  • 研究成果

    (36件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件、 謝辞記載あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (25件) (うち招待講演 12件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Photon-counting scatterometer with illumination adjusting and intensity stitching2014

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Kiire, Tomoyuki Meguriya, Daisuke Barada, Yoshio Hayasaki, and Toyohiko Yatagai
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 53 ページ: 022501

    • DOI

      10.7567/JJAP.53.022501

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamic control of spatial wavelength dispersion in holographic femtosecond laser processing2014

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 39 ページ: 478-481

    • DOI

      10.1364/OL.39.000478

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Holographic three-dimensional motion detection of an optically trapped sub-100 nm gold nanoparticle2014

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasaki and Akira Sato
    • 雑誌名

      Optics Communications

      巻: 322 ページ: 22-26

    • DOI

      10.1016/j.optcom.2014.02.014

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Holographic vector wave femtosecond laser processing2014

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki
    • 雑誌名

      International Journal of Optomechatronics

      巻: 18 ページ: 73-88

    • DOI

      10.1080/15599612.2014.901456

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Polarization distribution control of parallel femtosecond pulses with spatial light modulators2013

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Hasegawa, Yoshio Hayasaki
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 21 ページ: 12987-12995

    • DOI

      10.1364/OE.21.012987

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Super-resolution complex amplitude reconstruction of nanostructured binary data using an interference microscope with pattern matching2013

    • 著者名/発表者名
      Shinji Ishikawa, Yoshio Hayasaki
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 21 ページ: 18424-18433

    • DOI

      10.1364/OE.21.018424

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optical frequency comb interference profilometry using compressive sensing2013

    • 著者名/発表者名
      Quang Duc Pham and Yoshio Hayasaki
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 21 ページ: 19003-19011

    • DOI

      10.1364/OE.21.019003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultraweak background scattered light reveals the structure of a diffractive element2013

    • 著者名/発表者名
      Manabu Hakko, Tomohiro Kiire, Daisuke Barada, Toyohiko Yatagai, Yoshio Hayasaki
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 38 ページ: 3862-3865

    • DOI

      10.1364/OL.38.003862

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ラインビーム整形されたフェムト秒パルスを用いたレーザー加工2013

    • 著者名/発表者名
      長谷川智士, 早崎芳夫
    • 雑誌名

      レーザー研究

      巻: 41 ページ: 821-826

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 安定化モードロックフェムト秒レーザーにより生成されたラジオ波コムと単一画素カメラを用いた物体形状測定2013

    • 著者名/発表者名
      早崎芳夫,ファム ドック クアン
    • 雑誌名

      レーザー研究

      巻: 41 ページ: 1017-1022

    • 査読あり
  • [学会発表] Parallel femtosecond laser processing with vector-wave control2014

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasaki and Satoshi Hasegawa
    • 学会等名
      Progress in Ultrafast Laser Modifications of Materials
    • 発表場所
      Cargese, Corsica, France
    • 年月日
      20140414-20140419
    • 招待講演
  • [学会発表] フェムト秒レーザー誘起現象の2波長同時時間分解干渉観測2014

    • 著者名/発表者名
      福田真一,仲田早太,早崎芳夫
    • 学会等名
      第61回 応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      青山大学
    • 年月日
      20140317-20140320
  • [学会発表] ホログラフィックベクトル波フェムト秒レーザー加工2014

    • 著者名/発表者名
      長谷川智士,早崎芳夫
    • 学会等名
      第61回 応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      青山大学
    • 年月日
      20140317-20140320
  • [学会発表] Holographic femtsecond laser processing2014

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasak
    • 学会等名
      International Conference on Optics & Optoelectronics
    • 発表場所
      Derdrun, India
    • 年月日
      20140305-20140308
    • 招待講演
  • [学会発表] Radial spatiotemporal focusing with circularly symmetry2014

    • 著者名/発表者名
      Ryo Iijima and Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      The 9th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication (ODF'14)
    • 発表場所
      Itabashi Culture Hall, Tokyo
    • 年月日
      20140212-20140214
  • [学会発表] Three-dimensional position measurement of an optically-trapped nanoparticle using digital holography with pattern matching2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      2013 Japan-Taiwan Bilateral Symposium in Nano/Bio-Photonics (JTBS)
    • 発表場所
      Shizuoka University, Hamamatsu
    • 年月日
      20131125-20131127
    • 招待講演
  • [学会発表] Radial Simultaneous Spatial and Temporal Focusing of Femtosecond Pulse2013

    • 著者名/発表者名
      Ryo Iijima and Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      2013 Japan-Taiwan Bilateral Symposium in Nano/Bio-Photonics (JTBS)
    • 発表場所
      Shizuoka University, Hamamatsu
    • 年月日
      20131125-20131127
  • [学会発表] Simultaneous Control of Wavefront and Polarization Distribution in Femtosecond Pulses using a Pair of Spatial Light Modulators2013

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      2013 Japan-Taiwan Bilateral Symposium in Nano/Bio-Photonics (JTBS)
    • 発表場所
      Shizuoka University, Hamamatsu
    • 年月日
      20131125-20131127
  • [学会発表] Optical frequency comb profilometry2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      The 3rd Korea-Japan Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP2013)
    • 発表場所
      ETRI, Daejeon, Korea
    • 年月日
      20131118-20131120
    • 招待講演
  • [学会発表] フェムト秒レーザー誘起現象の2波長同時時間分解干渉計測2013

    • 著者名/発表者名
      福田真一,早崎芳夫
    • 学会等名
      Optics & Photonics Japan 2013
    • 発表場所
      奈良県新公会堂,奈良
    • 年月日
      20131112-20131114
  • [学会発表] Holographic femtosecond laser processing with polarization control using a pair of spatial light modulators2013

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki,
    • 学会等名
      ISOT2013 International Symposium on Optomechatronic Technologies
    • 発表場所
      Jeju Island, Korea
    • 年月日
      20131028-20131030
    • 招待講演
  • [学会発表] ホログラフィック時空間レンズを用いたフェムト秒レーザー加工2013

    • 著者名/発表者名
      早崎芳夫
    • 学会等名
      精密工学会秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      20130912-20130912
    • 招待講演
  • [学会発表] Radial spatiotemporal lens using circularly symmetric grating2013

    • 著者名/発表者名
      Ryo Iijima and Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      OIE'13 The Tenth Japan-Finland Joint Symposium on Optics in Engineering
    • 発表場所
      Utsunomiya University
    • 年月日
      20130902-20130905
  • [学会発表] Holographic laser sweep with line-shaped beam irradiations2013

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota and Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      OIE'13 The Tenth Japan-Finland Joint Symposium on Optics in Engineering
    • 発表場所
      Utsunomiya University
    • 年月日
      20130902-20130905
  • [学会発表] Arbitrary polarization distribution control of parallel femtosecond pulses with spatial light modulators2013

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      The 14th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2013)
    • 発表場所
      Niigata, Japan
    • 年月日
      20130723-20130726
  • [学会発表] Holographic laser sweep using femtosecond fiber laser2013

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota, Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      The 14th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2013)
    • 発表場所
      Niigata, Japan
    • 年月日
      20130723-20130726
  • [学会発表] Two-wavelength time-resolved interference observations of femtosecond-laser-induced phenomena2013

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Fukuda, Kazuki Toyoda, Yoshinori Hashizume, Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      The 14th International Symposium on Laser Precision Microfabrication
    • 発表場所
      Niigata, Japan
    • 年月日
      20130723-20130726
  • [学会発表] Holographic femtosecond laser processing,2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      International Workshop on Ultrafast Laser Optoelectronics 2013
    • 発表場所
      Jillin Univ., Jillin, China
    • 年月日
      20130711-20130711
    • 招待講演
  • [学会発表] ベクトル制御並列フェムト秒レーザー加工2013

    • 著者名/発表者名
      長谷川智士, 早崎芳夫
    • 学会等名
      第18回ボリュームホログラフィックメモリ技術研究会
    • 発表場所
      宇都宮大学
    • 年月日
      20130711-20130711
    • 招待講演
  • [学会発表] Holographic femtosecond laser processing2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      Light Conference-International Conference on Frontiers of Laser Processing (ICFL2013)
    • 発表場所
      Changchun, China,
    • 年月日
      20130708-20130710
    • 招待講演
  • [学会発表] Three-dimensional position measurement of nanoparticles2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasaki
    • 学会等名
      Collaborative Conference on 3D & Materials Research (CC3DMR)
    • 発表場所
      Jeju, South Korea
    • 年月日
      20130624-21030628
    • 招待講演
  • [学会発表] 軸対称な回折光学素子を用いたラジアル時空間レンズ2013

    • 著者名/発表者名
      飯島亮,早崎芳夫
    • 学会等名
      第7回新画像システム・情報フォトニクス研究討論会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      20130610-20130610
  • [学会発表] フェムト秒レーザー誘起現象の時間分解干渉イメージング2013

    • 著者名/発表者名
      早崎芳夫
    • 学会等名
      平成25年第2回 ホログラフィック・ディスプレイ研究会
    • 発表場所
      電気通信大学
    • 年月日
      20130531-20130531
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算機ホログラムを用いたベクトル波フェムト秒レーザー加工2013

    • 著者名/発表者名
      早崎芳夫
    • 学会等名
      第79回レーザー加工学会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      20130507-20130508
    • 招待講演
  • [学会発表] フェムト秒レーザー誘起現象の2波長同時干渉計測2013

    • 著者名/発表者名
      福田真一,早崎芳夫
    • 学会等名
      電子情報通信学会,レーザ・量子エレクトロニクス研究会(LQE)5月研究会
    • 発表場所
      金沢大学
    • 年月日
      20130507-20130507
  • [図書] Chapter 4: “Spatial and Temporal Manipulation of Ultrafast Laser Pulses for Micro- and Nano-Processing” in Ultrafast Laser Processing: From Micro- to Nanoscale(Edited by K. Sugioka and Y. Chen)2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshio Hayasaki and Satoshi Hasegawa
    • 総ページ数
      43/597
    • 出版者
      Pan Stanford Publisher

URL: 

公開日: 2015-05-28  

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