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円錐鏡を用いた広波長域の光渦の生成 Generation of Optical Vortex in Wide Wavelength Range using Conical Mirror

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Academic year: 2021

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円錐鏡を用いた広波長域の光渦の生成

Generation of Optical Vortex in Wide Wavelength Range using Conical Mirror

坂本 憲司郎1 小林 弘和1 岩下 1 K.Sakamoto1 H.Kobayashi1 K.Iwashita1

(高知工科大学 システム工学群1)

1. まえがき

光渦とは螺旋状の等位相面を持ち、空間的な位相を制御 されたビームである。光渦はその空間モードを基底とした 自由空間モード多重通信などへの応用が期待される。光渦 の従来の生成方法は、螺旋位相板やフォーク型ホログラム などがあるがどれも入射波長に対する制限が大きい。そこ で本研究ではシンプルな構造で広い波長域で動作が可能な 円錐鏡を使用し、波長依存性の少ない光渦生成が可能であ ることを実験的に確認する。

2. 光渦の原理

光渦は、位相のねじれ(一重螺旋、二重螺旋…)(図 1 参照) に対応して多数の空間モード(モード番号ℓ=±1、±2…) を持つ。ℓ次のモードの光渦の場合、光ビームの断面内に おける位相差が 2πℓ(ℓ=±1、±2…)だけ変化する。[(図 1(a)、(c)参照)]このときのℓの符号は光ビームの断面内 において左回りに位相が変化するときに正、逆の場合を負 とする。[図1の(b)、(d)参照]光渦は、等位相面がねじれ ており、強度分布はドーナッツ型である。円錐鏡を使用す ることで広い波長域でℓ=+2 の左回り円偏光とℓ=‐2 の右 回り円偏光の光渦が生成できる。[1]

図1 平面波と光渦の強度分布と位相分布 (a)平面波の 等位相面(ℓ=0)と(b)位相分布(右回り円偏光)と(c)光渦

の等位相面(ℓ=+2)、(d)位相分布(右回り円偏光)

3. 実験構成

円錐鏡を用いて光渦の生成を確認するための実験系を図

2 に示す。レーザーをシングルモードファイバーに通して、

基本ガウシアンモード(ℓ=0)を生成した後に偏光板で直線 偏光とする。そのあと、ビームスプリッタ(BS)で光を1:

1の強度で二つに分け、円錐鏡の手前では 1/4 波長板を使 い左回りまたは右回り円偏光に変換し、円錐鏡での反射後 に 1/4 波長板で再度、元の偏光に戻す。その後、BS におい

て、通常の鏡から返ってきた光(ℓ=0)と合波して干渉縞を CCD カメラで観測する。今回の実験では 403nm、532nm、637nm の三つ波長を使い、1/4 波長板を 45°(左回り円偏光)、

135°(右回り円偏光)傾けたときにそれぞれの光渦が生成 できているかを観測する。

図 2 実験系 図 3 円錐鏡 4. 実験結果

実験結果を図 4(a)、(b)に示す。2 つの光を干渉させた結 果、螺旋状の干渉縞ができていることがわかる。図 4 の(a) の 1/4 波長板を 45°傾けたときではℓ=+2 の左回り円偏光 に、(b)の 135°傾けたときではℓ=‐2 の右回り円偏光の 二重螺旋の光渦ができた。同じく 403nm、532nm でも実験し た結果、どちらも光渦を観測することができた。これらよ り鏡から返ってきた光と円錐鏡から 45°または 135°に傾 けた 1/4 波長板を通り、返ってきた光を干渉させることに よって光渦(ℓ=±2)が生成出来ることが分かった。

図 4 637nm の光渦(a) 1/4 波長板 45°(左回り円偏光) (b) 1/4 波長板 135°(右回り円偏光)

5. まとめ

本研究では広い波長域で光渦を生成できる円錐鏡を用い て可視域の光渦を生成することに成功した。今後は、円錐 鏡に光を複数回反射させ現在の空間モードよりも位相差の 大きな光渦を生成していく。また、光渦の測定方法を確立 していく。

6. 参考文献

[1].H.Kobayashi, et al. ,”Helical mode conversion using conical reflector”,Opt. Express 20, 14064 (2012)

参照

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