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既設光学機器に様々な機能を付加する偏光光学素子

兵庫県立大学 工学研究科

助教 吉木啓介

偏光モード変換器 (Polarization Mode Converter: PMC）

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特殊偏光とその生成技術• 従来のビーム：一様な偏光

– 直線偏光，円偏光，無偏光など

• 偏光，位相が一様ではないビームへ変換

– 顕微鏡，光トラップ，レーザー加工，荷電粒子加減速など

光渦ラジアル偏光 アジマス偏光

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従来の特殊偏光変換素子

ARCoptix社・ラジアル偏光(アジマス偏光)に変換・電気的にON/OFF可能・画素構造がないため，

単純な位相・偏光パターンに限定

Nanophoton社

・分割による疑似偏光・物理的な抜き差しで偏光変換のON/OFF

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従来の特殊偏光変換素子

・2次元アレイ画素構造による自由度の高い偏光・位相分布・大型のため，内蔵化は難しい

浜松ホトニクス社

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従来の偏光変換技術とその問題点

• 全ての偏光を生成する技術はない–直線偏光，円偏光のみ–楕円偏光(楕円率，長軸方向)の生成は不可能

• 比較的単純な偏光・位相パターンに限定–軸対称ビーム（ラジアル，アジマス等）のみ–複雑な偏光・位相パターンは大型機器が必要

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偏光モード変換器(Polarization Mode Converter: PMC)

各セルが個別に駆動

(例)8分割液晶

１．小型→既設の装置に挿入可２．簡便→電圧制御３．低コスト→安価な液晶素子

レーザー装置

直線偏光

ラジアル偏光

アジマス偏光

対物レンズ

ミラー

PMC

着脱可能

さらに特殊・複雑な偏光

？

新技術の紹介

旧PMC

新PMC

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x

y

xy

ba

z

ab

a

b

楕円偏光

φφφφ位相変化 偏光方向変化

直線偏光

電圧印加

QW: １／４波長板

位相補償

偏光制御

LC1

LC2

QW

LC：液晶素子(ホモジニアス配向)

原理（旧PMC）

偏光素子３つで直線偏光の回転角，位相を制御

• 1軸性複屈折素子• 可制御軸(a)，非制御軸(b)間の光電

場のｎ位相差を電気的に制御可能

• 位相差が１／４波長(a軸，b軸間)

• 楕円，円偏光を直線偏光に変換

Second Harmonic Generation Microscope using Eight-Segment Polarization-Mode Converter to Observe Three-Dimensional Molecular Orientation K. Yoshiki, R. Kanamaru, M. Hashimoto and T. ArakiOpt. Lett., 32, 1-3 (2007).

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偏光方向制御

一様な直線偏光

位相分布制御

LC1

LC2

原理（旧PMC）

QW

任意の偏光方向・位相パターン

2次元アレイ化すれば任意の偏光分布が作製可能

• 出力は直線偏光に限定(ラジアル，アジマス偏光には十分)

• 精細な画素構造はオーバースペックSecond Harmonic Generation Microscope using Eight-Segment Polarization-Mode Converter to Observe Three-Dimensional Molecular Orientation K. Yoshiki, R. Kanamaru, M. Hashimoto and T. ArakiOpt. Lett., 32, 1-3 (2007).

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画素を簡略化しても影響は少ない

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LC3の

位相

差

LC2の位相差

消光

比(1

/楕円

率)

旧PMC楕円偏光の回転

新PMCがつくる偏光

楕円率の変更

全ての偏光を実現可能(無偏光，ランダム偏光除く)

CW

CCW

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想定される用途光路の途中に光学異方性→予め偏光，位相の補正をかけて集光

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対物レンズ

分子配向

Ｘ偏光 ラジアル偏光

x偏光x

z

yy偏光

スカラーマッピング

ベクトルマッピング

焦点電場制御による立体配向計測

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ただし，

：観測面内配向ﾊﾟﾗﾒｰﾀｰ

：観測面外配向ﾊﾟﾗﾒｰﾀｰ

配向方向を示すパラメーターを定義し，可視化を行った．

20μm

RrlRxy

y

x z

x-y

①②

③立体配向の可視化

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0.0

0.2

0.

4 0

.6

0.8

1.0

lying

Standing

X配向

Y配向

Ｚ配向

XY section

XZ section

XZ

XＹ

X Y

Z

( )

( )l

rll

I -IR =

I +Ir

r

Ix

Iy

Iz

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加工痕 加工痕

加工効率大 加工効率小

進行方向 進行方向 進行方向

加工痕

加工効率中

溝加工においてラジアル偏光を用いると加工効率が上昇する

アジマス偏光 直線偏光ラジアル偏光

s偏光p偏光 s偏光p偏光

ビーム断面

ビーム断面

ビーム断面

溝加工の効率化

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加工効率小 加工効率大

被削材被削材被削材側壁に吸収

加工面に対しp偏光・s偏光が混在

s偏光p偏光 s偏光p偏光

ビーム断面

ビーム断面

ビーム断面

アジマス偏光 直線偏光ラジアル偏光

穴加工においてアジマス偏光を用いると加工効率が上昇する

加工効率中

穴加工の効率化

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励起光Erace光

(ラジアル偏光)

試料

焦点サイズ<分解能

消光領域発光

同時入射

※焦点近傍拡大図

対物レンズ

Y. Kozawa and S. Sato, Opt. Lett. 31, 820-822 (2006)

Erace光で発光部位を制限→焦点のみ信号光を発生

超解像顕微鏡

ラジアル偏光（入れ子型）で３D籠型イレース光を焦点に形成→電顕に近い分解能で３D顕微計測

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実用化に向けた課題• 制御技術

–精密な駆動電圧制御• 製造技術

– 0. 05°以下の精度をもつアセンブリ技術–マルチプラットフォーム化

• 評価技術–偏光・位相の精度の保証–視野角，温度依存性

• 位相，偏光パターン設計技術–所望の媒質中，所望の焦点から必要となる偏光・位相パターンを逆計算

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精密な位相制御が必要

位相制御の分解能によって消光比の上限は制限される

8 bit分解能(256階調)の位相制御→消光比5程度まで

消光比 10消光比 5消光比 2

8 bit分解能の位相制御の場合

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θ1

θ3

θ2

Θ LC1LC2

LC3

より完全な直線偏光をつくるためには．．

偏光方向

消光比

液晶の光学軸合わせを0.05°以内で行う→消光比1000以上が可能

組付誤差およそ0.3°

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PCRS-232 Driver

PMC

Olympus

Nikon

Zeiss

LeicaPCUSB bus powerDriver

PMCs

Power supply

現在

マルチプラットフォーム化

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企業への期待

• ユーザー募集–共同研究（モニター評価）の募集

• サプライヤー募集–液晶製造技術を持つ企業との共同研究を希望

• お使いの光学機器をお知らせ下さい– 応用分野はあまりにも多い– 個別相談が効率的

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：仮）特殊偏光生成のための液晶デバイスと、その組付け調整、及び検査機構

• 出願番号 ：出願準備中

• 出願人 ：兵庫県立大学他

• 発明者 ：吉木啓介、橋本 守

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産学連携の経歴（旧PMC）• 2010年-2012年 半導体機器メーカーと共同研究実施

• 2010年 JST A-step(シーズ顕在化)事業に採択– 「偏光モード変換器の小型化と試作設備の開発」

（現PMC）• 2007年〜 FA機器メーカーと共同研究実施• 2008年〜 公益財団法人天田財団重点研究開発助成に採択（PMCの加工応用）– 「高出力レーザー用液晶素子と超臨界流体中レーザー加工を用いた金属の高効率超深穴加工」

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お問い合わせ先

兵庫県立大学

知的財産コーディネーター 宮武 範夫

ＴＥＬ 079－283 －4560

ＦＡＸ 079－283 －4561

e-mail miyatake＠hq.u-hyogo.ac.jp