光渦とは，軌道角運動量をもつ新しい光です(図1)。従来のレーザービームは軌道角運動量がゼロの状態であると考えることができますが，理論的にはレーザービームはマイナス無限大からプラス無限大までの任意の整数次の軌道角運動量(nℏ:nは整数)を持つことができます。
今まで私たちは，レーザービームが取れる無限個の可能性の中のたった一つの状態(軌道角運動量がゼロの状態)にしか注目してきませんでした。しかし，1992年にAllenが光渦の生成法[1]を開発したのを皮切りに，光が潜在的に持つ軌道角運動量というパラメータを活用する研究が始まり，本研究室でも非線型光学や超短バルスなどの切り口でこの光渦が持つ潜在的な可能性を活用しようとしています。
図1 光を光の粒の集合であるとする考え方(光子描像)で光渦を説明した図。通常のレーザービームとは違い，光渦レーザービームは，光子の自転運動量成分(スピン角運動量)だけではなく公転の運動量成分(軌道角運動量)を持つ。
[1] L. Allen, M. W. Beijersbergen, R. J. C. Spreeuw, and J. P. Woerdman. “Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes”, Phys. Rev. A, 45(11):8185–8189, 1992.
本研究室では世界で初めて，超短光渦パルス光の増幅に成功しました。
超短パルスとは非常に短い時間だけ光るフラッシュのようなレーザービームです。本研究室では数フェムト秒(10のマイナス15乗秒=千兆分の一秒)の間だけ光る超短光渦パルス光を作り出す光学システムを構築しました。
本研究室が世界に先駆けて開発した超短光渦パルス光生成技術は，従来のレーザービームではできないような物質の性質の調査などの応用へとつながると期待されます。
図2 生成された数サイクル域超短光渦パルス光の波長ごとの強度分布(上)及び，強度と位相のスペクトル分布(下a)・時間波形(下b)。約5.9フェムト秒の間だけ光る光渦の生成に成功した。[1]
[1] Keisaku Yamane, Yasunori Toda, and Ryuji Morita, "Ultrashort optical-vortex pulse generation in few-cycle regime,"
Optics Express, Vol. 20, Issue 17, pp. 18986-18993 (2012) (オープンアクセス:誰でも無料で読めます)
HUSCAP(北海道大学学術成果コレクション)で読めます(無料)
本研究室では波長が広帯域に広がる光渦の軌道角運動量を調べるための研究を行っています。従来では波長域が広いレーザービームの軌道角運動量を調べるには，ある波長域だけを切り出すフィルタを通した後に軌道角運動量を調べるしかありませんでしたが，この方法には，フィルタの切り出す波長域以外での軌道角運動量が一体どうなっているかが分からない問題点がありました。本研究では，この問題を解決するために回折格子を用いて，広帯域光渦の波長ごとの軌道角運動量分布を求める技術を開発しています。
図3 広帯域光渦の軌道角運動量分解測定系とその結果[1]
[1] Keisaku Yamane, Zhili Yang, Yasunori Toda, and Ryuji Morita, "Frequency-resolved measurement of the orbital angular momentum spectrum of femtosecond ultra-broadband optical-vortex pulses based on field reconstruction,"
New Journal of Physics 16, 053020 (2014)
(オープンアクセス:誰でも無料で読めます)
【プレスリリース】
★レーザー光のらせん度をすばやく精密に測定する方法を開発(2014年5月8日, 北海道大学プレスリリース)
【メディア掲載】
★北大，レーザ光のらせん度をすばやく精密に測定する方法を開発
(2014年5月8日, OPTORNICS)
★北大、レーザー光らせん度を素早く精密測定する方法を開発
(2014年6月4日, 日刊工業新聞)
径偏光・方位角偏光に代表される軸対称偏光ビームやその他の「偏光渦」は今まで定性的にその状態を調べることがほとんどでした。本研究室の博士後期課程の鈴木は「偏光渦」の状態や質を定量的に示すことが可能な拡張ストークスパラメータと拡張偏光度を新たに定義しました。
この拡張ストークスパラメータと拡張偏光度を用いることにより、従来困難であった、偏光渦を直接励起するレーザーや偏光渦変換コンバータの品質を定量的に表し、さらに比較することができるようになります。
また、Pancharatnam-Berry位相という幾何学的性質により定まる量子力学的位相の観点から偏光渦を研究する際にも拡張ストークスパラメータが役に立つと考えています。
図4 拡張ストークスパラメータから定義される拡張ポアンカレ球[1,2]
[1] Masato Suzuki, Keisaku Yamane, Kazuhiko Oka, Yasunori Toda, and Ryuji Morita, "Nonlinear coupling between axisymmetrically-polarized ultrashort optical pulses in a uniaxial crystal,"
Optics Express 22, Issue 14, pp. 16903-16915 (2014) (オープンアクセス:誰でも無料で読めます)HUSCAP(北海道大学学術成果コレクション)で読めます(無料)
[2] Masato Suzuki, Keisaku Yamane, Kazuhiko Oka, Yasunori Toda, and Ryuji Morita, "Extended Stokes Parameters for Cylindrically-Polarized Beams,"
Optical Review 22, Issue 1, pp. 179-183 (2015) (オープンアクセス:誰でも無料で読めます)HUSCAP(北海道大学学術成果コレクション)で読めます(無料)
[3] Masato Suzuki, Keisaku Yamane, Kazuhiko Oka, Yasunori Toda and Ryuji Morita, "Analysis of the Pancharatnam-Berry phase of vector vortex states using the Hamiltonian based on the Maxwell-Schrödinger equation,"
Phys. Rev. A 94, 043851 (2016)
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本研究室では、拡張ストークスパラメータと拡張偏光度を利用して、広帯域偏光渦パルスの完全定量評価を行っております。詳しくは、下のプレスリリースをご覧ください。
図5 実験で使用したコヒーレントビーム結合系[1]
[1] Masato Suzuki, Keisaku Yamane, Kazuhiko Oka, Yasunori Toda, and Ryuji Morita, "Full Quantitative Analysis of Arbitrary Cylindrically Polarized Pulses by Using Extended Stokes Parameters,"
Scientific Reports (Nature Publishing Group) 5, Article number: 17797 (2015)(オープンアクセス:誰でも無料で読めます)
【プレスリリース】
★径偏光レーザービームの偏光分布を高速で完全定量的に評価する手法を開発 英語版 (2015年12月11日, 北海道大学プレスリリース)
【メディア掲載】
★径偏光レーザービームの偏光分布を高速で完全定量的に評価する手法を開発 (OplusEニュース)
★"High-Speed and Fully-Quantitative Evaluation of the Polarization Distribution of a Radially Polarized Laser Beam" (Science and Technology Research News)
一軸性結晶と呼ばれる，屈折率が光の伝搬する方向で異なる結晶を用いると，光渦の軌道角運動量を変換できます。本研究室では，超短光渦パルスの軌道角運動量を一軸性結晶を用いて変換する際の非線型光学効果について注目して研究しています。
図6 一軸性結晶内において光渦のスピン角運動量(s)が変換され，その変換された分が光渦の軌道角運動量(l)の変化となります。これは，光渦の軌道角運動量のコンバーターとして使えます。[1,2,3]
[1] Masato Suzuki, Keisaku Yamane, Kazuhiko Oka, Yasunori Toda, and Ryuji Morita, "Nonlinear coupling between axisymmetrically-polarized ultrashort optical pulses in a uniaxial crystal,"
Optics Express 22, Issue 14, pp. 16903-16915 (2014) (オープンアクセス:誰でも無料で読めます)HUSCAP(北海道大学学術成果コレクション)で読めます(無料)
[2] Cyril Hnatovsky, Vladlen Shvedov, Wieslaw Krolikowski, and Andrei Rode. “Revealing Local Field Structure of Focused Ultrashort Pulses”, Phys. Rev. Lett., 106:123901, 2011.
[3] Vladlen G. Shvedov, Cyril Hnatovsky, Wieslaw Krolikowski, and Andrei V. Rode. “Efficient beam converter for the generation of high-power femtosecond vortices”, Opt. Lett., 35(15):2660–2662, 2010.
あらゆる科学技術分野の研究開発にとって、最も基本的な物理量「長さ」の正確な計測が必須であることは、いまさら説明するまでもありません。長さを測るには大きく分けて二つの方法があります。一つは物差しを当てて目盛を読むごく一般的な方法、もう一つは両端二点間を光が進む時間を計る方法です。実は現在の長さの単位「メートル」は光が進む時間を基に定義されていますので(当初は金属製のメートル原器が使われていました)、「長さ」は本来後者の方法で求めなければならないことになります。
しかし光は非常に速く進むので、ストップウオッチを用いるのと似たような方法では、精度よく時間を知ることはできません。特に最近の先端科学領域では扱う物質のスケールがますます縮小されており、ストップウオッチ式では破綻することは明らかです。ではどのようにすればごく短い時間を精度よく求められるでしょうか。それには測定する時間と同じ幅を持つパルスを繰り返し発生させて、1秒間のパルス数を計数すればよいと考えられます。しかもより多数のパルスを数えるほど、1パルス幅の測定精度は上がっていくことになります。このような繰り返しパルスはレーザーを使うと発生させることができ、その意味でレーザーは時間を計るための道具なのです。必要な諸条件がうまく整いさえすれば(現実には極めて難しいことなのですが)、水素の原子核よりも小さなレベルで長さの違いや変化を識別できると考えられます。図はレーザーを使って光が進む時間を測定した結果の一例で、およそ10秒ごとに長さに与えたステップ的増加(250ミクロン)が捉えられています。
[1] Seiichi Kakuma, and Yasuhiko Katase, "Frequency scanning interferometry immune to length drift using a pair of vertical-cavity surface-emitting laser diodes," Optical Review, Vol. 19, Issue 19, pp. 376-380 (2012)
[2] Seiichi Kakuma, and Yasuhiko Katase, "Resolution improvement in vertical-cavity-surface-emitting-laser diode interferometry based on linear least-squares estimation of phase gradients of phase-locked fringes," Optical Review, Vol. 17, Issue 5, pp. 481-485 (2010)
[3] Seiichi Kakuma, and Kazutoshi Noda, "Practical and Sensitive Measurement of Methane Gas Concentration Using a 1.6μm Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser Diode," Sensors and Materials, Vol. 22, Number 7, pp. 365-375 (2010)
