2019 Fiscal Year Annual Research Report
Recording and reconstruction of motion picture of polarization of a femtosecond light pulse propagating microscopic field and its application to observation of ultrafast phenomena
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17H01062
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
粟辻 安浩 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (80293984)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光工学・光量子科学 / 可視化 / ホログラフィー / 光伝播 / 偏光 / 高速度撮影 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和元年度に構築した伝播するフェムト秒光パルスの拡大動画像をホログラフィック乾板を用いて記録する光学系を改良し，本年度はカメラを用いて伝播するフェムト秒光パルスの拡大動画像を記録し，コンピューターでその動画像を再構成するシステムを設計，構築し，そのシステムの実証した．
設計した光学系では一度の記録で偏光を動画像記録するために，ホログラムの記録には0°，45°，90°，135°方向のそれぞれの直線偏光の強度を同時に記録できる4方向偏光イメージングカメラを用いた．また，光パルスを拡大して観察するため，光を伝播させる対象と偏光イメージングカメラの間に拡大光学系を導入した．拡大光学系は，奥行き方向にたいして物体が動いても倍率が変化しないようにアフォーカル系とした．このアフォーカル系を顕微鏡対物レンズと凸レンズを組み合わせて構築した．比較のために，拡大光学系を導入せずに偏光を記録する実験と，拡大光学系を導入して偏光を記録する実験を行った．光を伝播させる対象として，ゼラチンを直方体の容器に入れたものとした．
まず，拡大せずに記録した場合，得られた再生像の強度情報を解析すると，ゼラチンを透過した物体光パルスの偏光方向は135 fsの時間経過で12.2°から16.4°に変化することがわかった．次に，拡大光学系を導入した場合，拡大率は7.2倍に設計して偏光の動画像を記録した．再生像の大きさから拡大光学系の拡大率を評価した．その結果，約4.7倍の拡大率で偏光の様子を記録・再生できた．得られた再生像の強度情報を解析すると，ゼラチンを透過した物体光パルスの偏光方向は171 fsの時間経過で3.95°から6.19°に変化したことがわかった．このように，偏光の変化によって光強度が変化する様子の拡大像をディジタル動画像として記録・再生することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題であるフェムト秒光パルスの偏光伝播の顕微動画像記録と観察の基本となるフェムト秒光パルスの偏光伝播において，その記録時に拡大光学系によって偏光伝播の拡大像を形成し，イメージセンサーを用いてホログラムを記録する光学系を構築できた．さらに構築したシステムによって記録したディジタルホログラムから，コンピューターでその像の再生の実証に成功した．
以上の成果が得られていることにより，本研究課題はおおむね順調に進展していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，前年度に構築したイメージセンサーを用いてホログラムを記録する光学系ならびに前々年度に構築したホログラフィック乾板を用いて記録する光学系をそれぞれ応用して，偏光が高速に変化する様子の動画像記録の可能性を試験する．
高速に偏光の様子が変化する現象として，フェムト秒光パルスが異なる光学媒質の境界面に入射する際に入射の前後で偏光成分が変化しながら伝播する様子の動画像記録を世界で初めて試みる．光がブリュースター角で境界面に光が入射すると，入射光の偏光成分のうち水平偏光は反射せず垂直偏向のみが反射する．フェムト秒光パルスが異なる光学媒質の境界面にブリュースター角で入射する様子を動画像記録するためには，これまでに構築した光学系そのままでは記録や観察が困難であるために次のように光学系を改良する．まず，境界面に接した拡散板には光パルスの進行方向には細くかつその垂直方向には長い光パルスを入射させる必要がある．そのために，シリンドリカルレンズを用いて物体照明光パルスを整形する．次に，光パルスを境界面にブリュースター角で入射できるように物体照明光パルスを光学定盤から斜め上方から入射させる必要がある．そのために，物体照明光パルスの光路を3次元的に構築する．さらに，境界面での入射光パルスの偏光は微小部分で変化する，この変化を容易に観察できるように拡大光学系を境界面とホログラフィック乾板ならびにディジタルカメラとの間に構築する．これらの改良をした光学系を用いて光パルスが異なる光学媒質の境界面にブリュースター角で入射する様子の動画像記録可能性を試験する．
研究協力者としてホログラフィーの記録について高度な知識を持つ(株)久保田ホログラム工房 久保田敏弘博士，神戸大学 的場修教授，千葉大学 角江助教，産業技術総合研究所 夏鵬研究員と議論ならびに助言を受けながら研究を進める．
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