【基本】ポッケルスセル

ポッケルスセルは、光の偏光方向を電気的に変更できるEO(Electro-optic)デバイスです。電圧で制御する波長版とも言えます。また、印加する電圧を変化させると、位相遅れを発せさせることができます。

このデバイスはポッケルス効果と呼ばれる現象を利用しています。物質に電圧が加わったときに物質内部の分極率が変化し、屈折率が変わります。屈折率は電圧に比例します。似たような現象にカー効果がありますが、こちらは電解の2乗に比例して屈折率が変わる現象です。また、ポッケルス効果は、圧電性のある物質にしか作用しません。このポッケルス効果とは、ドイツの物理学者であるフリードリッヒ・ポッケルスに由来します。

物質の素材は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やリン酸二重水素化カリウム(KD*P)、BBO 、CdTe などがあります。

使用できる波長も紫外から遠赤外まで幅広く、各波長で適切なARコートがされているものもあります。

駆動電圧は、数kV以下程度が多く、MHzレベルの高周波で駆動できるデバイスもあります。立ち上がり時間もns以下と短く、高速な動作が要求される応用にも利用可能です。

光を入れる口径もφ数mm程度のデバイスが多く、扱いやすくなっています。

応用例としては、DPSSレーザー用Qスイッチ、レーザーの再生増幅制御、ビームチョッパー(アイソレーター)などがあげられます。

【基本】音響光学素子(AOM)

音響光学素子(AOM : Acousto Optics Modulator)は、レーザービームの位置や強度変調を行うための電子デバイスです。電気的に制御が可能であり高速に動作するというメリットがあります。デジタル制御で光のOn/Off、アナログ信号で角度の変化をつけるという使い方もあります。

原理的には、次のようになります。結晶内でレーザーと音響波が存在するとき、音響光学効果が発生します。音響波が入った結晶は、正弦波グレーティングのように屈折率分布が発生します。レーザーがここに入ると回折が起こり、各オーダーの光に分けられます。ここで、適切な設計をすると、強度な1次回折光を取り出すことができます。多くの場合は、この1次回折光を利用します。

偏向角度(0次光と1次光の角度)は、光の波長と周波数に比例して内部の音響波の速度に反比例します。

また、音響光学素子を透過した光の波長は、音響周波数と同じだけシフトします。

実際の音響光学素子は、アンプやコネクタがパッケージ化されて販売されているものが多いようです。対応できる波長は、紫外から赤外まで幅広く、波長によって仕様が異なります。

結晶として、紫外用は溶融石英、二酸化テルル、可視広域では、フリントガラス、水晶、モリブデン亜鉛、二酸化テルル、近赤外では、二酸化テルル、フリントガラス、カルコゲナイトガラス、赤外では、ゲルマニウム、ガリウムリンなどが使われるようです。また、各波長に合わせた適切なARコーティングもなされています。

音響波を発生させる周波数帯域としては、数十~数百MHz程度が多いです。ドライバの性能にもよりますので、選択には注意が必要です。

このように、高速なスイッチングが可能で、小型で扱いやすいAOMは、様々なビームハンドリングの応用に利用されています。

【基本】偏光ビームスプリッター

一つの光線を二つに分岐させる光学素子にビームスプリッター(Beamsplitter : BS)があります。ビームスプリッターひとつをとっても、その仕様によりいくつかの種類に分けられます。

光線の偏光方向によって、分岐の方向(透過・反射)が変わるビームスプリッターを偏光ビームスプリッター(Polarizing Beamsplitters : PBS)といいます。

偏光ビームスプリッターは、光線にP偏光とS偏光が含まれていた場合、P偏光を透過、S偏光を反射させます。このように、偏光状態により光線を垂直に2つの光線に分岐させます。

コーティングとして誘電体多層膜が使われることが多く、光のロスが少なく効率よく光線を分岐させることができます。

このような特性がありますので、使用に際し、最適な波長は決まっており、通常は光を入射させる方向も決まっています。

偏光ビームスプリッターには、他のビームスプリッターと同じように、キューブ型とプレート型があり、それぞれ長所・短所があります。

キューブ型ビームスプリッターは、斜面に光学薄膜とつけた2つの直角プリズムの斜面同士を張り合わせてキューブ上にしたビームスプリッターです。このキューブ型ビームスプリッターは、光線が0°で入射しますので、光線のアライメントが容易で、透過光と反射光の光路差がないという特徴があります。また、透過光のビームシフトがなく、光学薄膜が空気に触れないため経年劣化が少ないという利点もあります。しかし、重量が大きく、大きなサイズを作成しにくく、一般的に価格が高いです。また、透過光の消光比と反射光の消光比が異なることが多いです。さらに、プリズムを構成するガラスの厚みがありますので、光線に波長分散が生じます。

プレート型ビームスプリッターは、プレート表面に誘電体多層膜などの光学薄膜を構成し、1枚で偏光ビームを分岐させることができる偏光ビームスプリッターです。基板1枚の構成のため、キューブ型と比べて軽量で比較的大きなサイズも製造でき、安価です。また、一般的に、より高い消光比や透過率、損傷閾値を要求される場合にこちらのプレート型が用いられます。しかし、透過光のビームシフトがあり、45°の角度で光線を入射される必要があるのでアライメントが多少面倒です。

このように、それぞれの型の特性をよく理解して、用途や目的に合わせて選択する必要があります。

偏光ビームスプリッターの用途としては、ランダム偏光のレーザー光線を1:1に分割したり、1つの偏光方向の光を取り出すフィルタリング用途に用いられます。

【基本】レンズの収差

収差の概要

光学機器で用いるレンズの最大の敵は収差です。

レンズは、集光・結像のために用いる部品ですが、この機能の前提として「物体の1点からでたあらゆる光線はレンズを投下した後、像面の1点に集まる」という性質があります。つまり、以下の3点を満たすことを前提としています。

1.点光源は、点に集光する。
2.平面の物体は、平面の像を作る。
3.平面上の形状は、相似形として結像する。

しかし、実際のレンズを考えてみますと、このように理想的にはなりません。多くの場合は製造上の都合から球面レンズであり必ずしもこの基本性質を満足はしていません。また、レンズ材料そのものの非一様性や加工誤差などで理想的なレンズを形成することは事実上不可能です。

実際には、光が一点に集光しなかったり、像面位置によって結像場所が変化したり、色がにじんだり、像がぼやけたりと様々な誤差を生じます。これらの現象を総称して収差(aberration)と言います。

収差は、大きく「単色収差」と「色収差」に分けられます。単色収差は、レーザーなど単一波長の光を考慮したときに発生する収差で、色収差は複数波長が重なった光を扱った時に発生する収差のことです。

これらの収差は、さらに以下の通りに分類されます。

単色収差

  • 球面収差:光軸上で光が一点に集光しない
  • コマ収差:光軸外で、集光点で光が尾を引いたようになる
  • 非点収差:同心円像と放射線像の結像が一致しない
  • 像面湾曲:湾曲した像面となる
  • 歪曲:物体と像が相似とならない

色収差

  • 軸上色収差:色によって結像位置が異なる
  • 倍率色収差:色によって倍率が異なる

光学系の設計では、この収差を以下に抑えるかが重要となっています。光学機器メーカーは、専用の光学設計ソフトウエア等を駆使してこれらの収差を抑えるような設計をします。光を扱う機器全般の問題ですから、産業機器にみならず、カメラや光学プリンタ、ビームポインタなど民生品へも大きな影響を及ぼします。

【基本】ポンデロモーティブ力

3次元空間で強度が一様でない振動電磁場下で荷電粒子に加えられる力のことです。原子や分子にレーザー光を照射すると、電子は光電界によって力を受け、励起されます。x軸方向に偏光したレーザー光の電界を

$$ E_c = E_0 sin \omega t $$

とすると、電子の振動のエネルギー(=ポンデロモーティブエネルギー、 ponderomotive energy)は、光強度\( I \)、周波数\( \omega \)、電子の素電荷 \( e \)、電子の質量 \( m \)を用いて、次のように表されます。

$$ U_p = \frac{e^2 E^2_0}{4 m \omega^2} = 9.3 \times 10^{-14} I \lambda^2 [eV] $$

この式から、光強度に比例して、周波数の2乗に反比例することが分かります。

電磁場が一様な場合には、電荷が一周期後には元の位置に戻ります。しかし一様でない場合には、電荷が振幅の大きい領域にいる間に働く力は振幅の小さい領域へと向かうことになります。振幅の小さい領域にいる半周期の間に働く力は、振幅の大きい領域へと向うが、その大きさは小さいです。結果として、一周期の間に働く力を平均すると電荷は振幅の小さい領域へと向う力を受けていることになります。

また、レーザー強度があまり大きくない場合には、電子の振動のエネルギーは光電界に戻されますが、レーザー強度が大きく(> \( 10^13 W/cm^2 \) )なると、非線形効果により、多数の光子を同時に吸収して電離する多光子電離が起こります。

このポンデロモーティブ力により荷電粒子の振る舞いは、以下の分野で応用されているようです。

  1. 四重極イオントラップ
  2. プラズマ加速
  3. プラズマ推進エンジン
  4. 高次高調波発生
  5. テラヘルツ時間領域分光

偏光(へんこう)って何?(3)~わかりやすい偏光~

 今回も、実験を通して偏光の確認をしてみたいと思います。

 一般的な光学の教科書には、S偏光とP偏光のについての記載が、必ずといっていいほどあります。
 そこで、偏光について、計算式などを使わずに、直観的にわかりやすく説明してみたいと思います。

 実例を示しながら、順に説明していきます。

LED照明(点灯状態)
写真1.住宅用LED照明

 写真1は、一般的な住宅のLED照明です。目視で見た通り、直線状の形状をしています。

 写真2は、コップの水面に写真1のLED照明が反射している様子です。

 写真3は、偏光サングラスを通して、コップの水面に反射しているLED照明を見ているところです。
 
 写真2と同じ程度の反射の強さに見えますよね。ここで、偏光サングラスの左右方向(長手方向)と写真の左右方向とが直交していることに注目してください。

 普通、人が使用するときは、写真3のような偏光サングラスの向きで水面を見ることはないですね。
 人の両眼は、水平方向に並んでいますから。

 写真4も、偏光サングラスを通して、コップの水面に反射しているLED照明を見ているところです。

 写真3に比べて、反射している光が弱いことに気が付かれたかと思います。
 この状態は、人が偏光サングラスをかけて、モノ、風景を見ている状態ですね。

 なぜ、反射している光は全く同じなのに、偏光サングラスを通して観察すると見え方が違うのでしょうか?

 それは、偏光サングラスを普通に使用すると、横方向(水平方向)に振動して眼に入ってくる光が通過しにくいように作られているからです。

 水面(反射面、境界面)などに光が斜めに差し込んだときの反射光は、水面に平行(水平方向)に振動する光はよく反射するのです。
 逆に、水面に垂直な面に振動する光の反射は弱いのです。このような反射率の入射角依存性は、物理現象であり、自然な状態なのです。
 
  さて、光(横波)が振動している方向と偏光フィルターの方向が一致していると、光は、そのフィルターを通り抜けることができます。偏光フィルターは、光から見ると、スリットのようなものだとイメージしてもらえれば、わかりやすいかもしれません。

 これを言い換えると、偏光サングラスは垂直方向のスリットによって、水平方向に振動する光(S偏光)の大部分を遮断しているということです。だから、人間からすると、まぶしさが軽減されることになるのです。
一方、P偏光は、S偏光と直交した光(入射面に平行な光)です。

 『偏光って何?(2)』で書いたように、光は進行方向と直交する方向に振動する横波(※)ですから、このようなことも起こるのですが、これが、レーザー加工にも影響を及ぼす場合もあるのです。おもしろい(?)ですね。

※光は、電界と磁界が直交しながら振動する横波です。
 一般に、光の偏光の話しをしているときは、光の電界成分(電気ベクトル)に着目して議論されています。

【基本】銅蒸気レーザー

銅(Cu)蒸気レーザー(Metal-vapor laser)は、発振効率が数%と高く、平均出力が200W程度と高出力な特長があります。しかし、金属を蒸気にしてレーザーを発振させるため放電開始からレーザー発振まで1時間程度の長い時間がかかります。このデメリットのせいからか、最近は固体レーザーや半導体レーザーにその役割が置き換わりつつあります。用途は限られてきており、ウラン同位体分離用の色素レーザーのポンピング光源として、その他、金属・セラミックスの微細穴加工用途、ライトショー、高速写真の光源などに利用されています。

このレーザーは、510.6nm(緑色)と578.2nm(黄色)で発振するパルスレーザーです。このレーザーのレーザー管は高温になるため、通常は、セラミックス製の放電路が用いられます。放電により1500℃以上に加熱され銅ペレットを蒸気化します。セラミック管は、モリブデンの多層反射と保温材で覆われ安定した蒸気化を実現しています。断熱として、真空断熱や熱シールドなどが用いられています。

レーザー管の大口径化、管長の増大により高出力化を図ります。口径80mm、長さ3mの巨大なレーザー管で、平均出力500W,2000時間の連続動作をしたという報告もあります。

気体レーザーの上準位が非常に高いため、励起エネルギーの一部しかレーザー遷移にならず効率が悪いのですが、銅蒸気レーザーのようなアルカリ金属が媒体のレーザーの場合、低い準位のため、少ないエネルギーでレーザー発振します。

パルス発振のための放電には鋭い立ち上がりが必要なためサイリスタなどが用いられます。これにより、高繰り返しのパルス発振ができます。また、利得が大きく、低反射率のミラーでも発振します。

銅の代わりに金を用いると312.2nm(紫外線)と627.8nm(赤色)でレーザー発振します。鉛蒸気レーザーは、732nmで発振します。また、ルビジウムの蒸気を半導体レーザーで励起、発振する例もあります。

【基本】He-Cdレーザー

He-Cdレーザーは、CWの気体レーザーの一種で、使用する放電方法によって発振波長が異なります。グロー放電を用いるものとホロー陰極放電を用いるものがあります。出力は、数十~数百mW程度です。実用化されてから数十年の実績があります。

グロー放電の場合、発振波長は441.6nmと325nmです。レーザープリンターの光源、生物顕微鏡の光源、ラマン測定などに利用されます。一方の、ホロー陰極放電の場合、635.5nm, 636.0nm, 533.7nm, 537.8nm, 441.6nmであり、白色光が得られるため白色レーザーと呼ばれることもあります。カラープリンタ、ホログラフィーの記録などへの利用の期待があります。ノーベル賞を受賞した青色発光ダイオードの研究開発でも使われました。

He-Cdレーザーの構造は、He-Neレーザーとほぼ同じですが、レーザー管の構造が異なります。内径1~2mmの放電管中に、数TorrのHeガスに対して約1%のCdが封入されています。Heは、Cdによる吸着や漏れにより徐々に減少するため、Heの自動補給装置がついています。レーザー管の中には、Cd蒸気を送り込むためのCd金属溜を陰極付近に設けます。これを270~280℃で加熱して蒸気化され、He放電中にイオン化されレーザーが発振します。これらの工夫により、出力~200mWで~5000時間程度の寿命があります。

紫外域のアルゴンイオンレーザーに比べ、高効率で寿命が長いのでCW紫外レーザーとして重宝されましたが、最近は波長変換の技術も進み、固体レーザーが多用されるようになってきています。

【基本】エキシマレーザー

希ガス原子とハロゲンガス原子の混合ガスを媒質とするレーザーをエキシマ(エキサイマー)レーザーと言います。通常、希ガス原子(He, Ne, Ar, Kr, Xe)は安定ですが、励起状態となると他の原子(Br, F, Cl)と結合して分子を構成します。このように励起状態でのみ安定に存在する2原子分子を意味するexcited dimerに由来する言葉でexcimer(エキシマ、エクサイマ)と呼ばれます。エキシマは励起状態では安定ですが、基底状態に戻るとバラバラになり原子の状態に戻ります。下位準位がなく、すぐに基底状態となるため理想的な反転分布を得ることができます。エキシマレーザーはこの現象を利用しています。

多くは、放電励起方式で発振され、1~4気圧程度の高い圧力の気体に一様な放電をさせます。この放電には高い技術力が要求されるものの、紫外線領域の高いフォトンエネルギーと高いピークパワーを高効率で得ることができ、装置を小型化できることは魅力的で、広く普及しました。

市販のものでは、出力エネルギー~1J程度、パルス幅10~30ns、繰り返し周波数~1000Hz程度のレーザーが多いようです。

最初に実現されたのはXe2レーザーと言われています。液体希ガス中に電子ビームを照射させてレーザー発振が得られました。その後、希ガスとハロゲン原子が結合した希ガスハライドが出現し高出力・高効率の紫外レーザーとしてポピュラーとなりました。

希ガスーハロゲンと発振波長を次に示します。

ArCl —- 175nm
ArF —- 193nm
KrCl —- 222nm
KrF —- 249nm
XeBr —- 282nm
XeCl —- 308nm
XeF —- 351nm

ガスや要素部品の寿命が短いという欠点がありましたが、最近ではガスの高純度化や部品の改善により、109ショット以上の長寿命化が進んでいます。

用途としては、紫外線分光の光源、光化学、レーザー微細加工、レーザーリソグラフィー、レーザーアニールに用いられています。また、レーシックなど視力矯正治療にも用いられています。

偏光(へんこう)って何?(2)~意外と身近な偏光~

 前回の『偏光って何?(1)』では、液晶ディスプレイからの光が偏光していることを、偏光サングラスで観察することにより確認しました。

簡単に前回の内容についておさらいです。

・「偏光」とは、光の振動方向がある規則性をもって偏った状態の光のこと。
・検光子(身近なものとして、偏光サングラスを使いました)で、液晶ディスプレイ画面を観察すると液晶ディスプレイが見えなくなる位置(回転角度)がある。

という点について、簡単な実験を通して、示してみました。

 ところで、『光の振動方向』って何?と思ってしまいますね。
 そこで、今回は『光の振動方向』について、ざっくりと考えてみたいと思います。

 この『光の振動方向』を理解する為、必要になってくるのが『横波』(光、電波、“水の”波、など)に関する理解です。横波と対になるものは、『縦波』(音など)ですが、偏光の話しがテーマなので、縦波についての説明は省略します。

 話しは反れますが、物理法則というものは、数式等で理解することが必要な場面もあります。
 しかし、数式だけで理解するよりも、実際の現象を通して、想像力を働かせて、素直に考えれば、直観的に理解ができることも多いです。

 光に関する物理法則も、そんな身近な発見や、気づきを通して理解が進んだ例もあります。
 光学の“歴史”に着目すると、逆に、光に関する物理法則などは、理解しやすい場合もあるかもしれません。「光学史」に関しては、色々、おもしろい話しもありますので、それらはまたの機会に。

 さて、光は、横波に分類されますが、偏光のイメージをつかむためには、この横波の概念をもっておくと都合がよいと思います。

 そこで、横波についてのイメージをつかむため、誰でもできる身近なところで実験したいと思います。
 注)広い意味での検光子としての偏光サングラスの”機能”については、『偏光(へんこう)って何?(1)』に記載しています。

 実験は、お風呂に入ったついでに、できてしまいます。
 直観的な理解を助ける実験ですので、興味がある方は試してみてください。

 実験は2つあります。

実験1)

 湯舟に入る前に、水面が静かな状態にしておきます。
 面倒なときは、洗面器のようなものにためた水でもかまいません。
 その水面に、水滴を一滴、ポタリと落としてみてください。
 水面に同心円状の波紋が広がりますね。

 水滴の落下点が振動源で、落下方向が振動方向です。
 波は、水滴の落下点を中心に同心円状に進行していきますね。
 つまり、波の振動方向と同心円状の波紋の広がる方向(=波の進行方向)が直交している状態です。
 これが、横波です。

実験2)

 お風呂に入って、指先を前に伸ばして、水面で手のひらを動かしてみてください。
 手のひらの動きに合わせて、水面が動きます。
 そして、波の進む向きは、手のひらを中心にして、前方や左右方向に広がっていきます。
 これも、波の振動方向と波の進行方向が直交している状態です。
 つまり、横波です。

まとめ)
 媒質の振動方向が、波の進行方向と垂直である波を横波と呼びます。
 ところで、水面に起きた波の場合、媒質は「水」です。
 さて、光にとっての媒質は?となりますね。
 このお話しは、また別の機会にできればと思います。
 とりあえず、今回は横波のイメージをつかむところまで。

 次回は、「光は横波」ということを踏まえて、“反射によってあらわれる偏光”について、書いてみたいと思います。