【基本】カー効果

光の偏光に関する現象にカー効果(Kerr effect)というのがあります。1875年にスコットランドの物理学者ジョン・カーが発見しました。このカー効果には、電気光学的カー効果と磁気光学的カー効果があります。

電気光学的カー効果は、ある物質に電場が印加されたとき、物質の屈折率が電場の2乗に比例して変化(複屈折)する現象です。

ちなみに、電場に比例する一次の電気光学効果は、ポッケルス効果です。

応用例としては、短パルス、超短パルスレーザーのシャッターとして使われます。結晶の両端に偏光板を置き、偏光方向が垂直の場合、不透明となります。しかし、結晶に電圧をかけて偏光方向を変化させることで透明となり光が透過します。物理的な可動部がないため、高速なスイッチングができます。カー・セルとして利用されています。

電気光学的カー効果の方が有名ですが、磁気光学的なカー効果(Magneto-optical Kerr effect)もあります。こちらは、反射光に対するファラデー効果ということができます。

磁気光学的カー効果には、3種類あります。

・極カー効果:磁化が反射面の法線方向。直線偏光ー>傾いた楕円変更
・縦カー効果:磁化が試料面内かつ入射面内。直線偏光ー>傾いた楕円変更
・横カー効果:磁化が試料面内。磁化による強度変化

カー回転角は、反射する物質や温度等によって変化します。例えば、
Fe 0.87 deg
Ni 0.17 deg
CrBr3 3.5 deg
などです。

この応用は、MOディスクです。CDのような円盤に磁気光学効果でビットを形成、読み取り、消去することで、デジタルデータの書き込み、読み込み、消去を行える記録媒体です。

ガラスに微細な金属ラインをレーザーで成膜~装飾・アクセサリーなどへの応用とか?~

 透明なガラス基板に描くこと(成膜すること)微細な金属の線をレーザーを使って成膜し、
 下の動画1のように、市松模様の反射デザインをガラス面に形成することができます。
 尚、サンプルの作成は室温、大気雰囲気で実施しています。

 動画1での、市松模様デザインのサンプルは、左側の薄く見える四角形の部分です。
 1辺20mmの四角形の中に、1辺5mmの四角形16個で構成されています。
 そして、それらが、幅0.07mmの銅の膜の配列で構成されています。
 (実際のパターンは、画像1の観察画像参照)

 注意)動画には、ノイズ音として、加工装置などの音が少し入っています。
    消音かボリューム小さめでご覧ください。

動画1:ガラス基板にCuの微細ラインで市松模様を成膜

 DXFファイルなどから、パターンを入力すれば文字や絵(曲線)を描くことができます。
 レーザーでの成膜ですので、パターンマスクは不要、マスクレスでの成膜です。
 描ける範囲(面積)の制限はあります。
 
 一般に、印刷などでも、金属光沢を出すことができます。
 ただ、この方法では、実際の金属材料での反射という点も特徴の一つです。

 紹介した動画は、銅(Cu)でガラス基板(一般的なスライドガラス)上に成膜されています。
 ほかに、成膜材料としては、ステンレスでも同じ様に描画できます。
 成膜基板は、透明なアクリル板でも構いません。

 実際の見た目は、光のあたる角度で反射の様子が変わります。
 また、成膜材料の違いでも、反射の色合い自体も変化します。
 そのため、デザイン次第で、装飾品・アクセサリーなどにも利用できそうです。

 画像1は、動画1で示したパターンの一部分の観察画像です。
 幅70μmの銅のライン成膜と空白の幅が周期的にレーザーで成膜されています。
 もちろん、パターンの方向や間隔、直線or曲線などは自由に変えることができます。

透明アクリル板に金属(銅)をレーザーで成膜してみた。

 市販の透明アクリル板に銅を成膜して、文字とQRコードを描いてみました(画像1)。
 大気圧雰囲気、基板無加熱でマスクレス成膜です。

 成膜後に、水道水+界面活性剤で、指で擦りながら洗浄しました。
 その後に、ティッシュペーパーで拭き上げ処理をしても膜剥離しませんでした。
 ちなみに、画像2も同様の後処理をしています。
 また、簡易的なテープ剥離テストでも、膜剥離はありませんでした。

 今回の例では、文字を形成する細線の幅は約0.1mmです。
 
 光沢感を強調する為に、掲載画像では、サンプルに白色照明をあてています。
 画像1では、2パターンの色合いを示しています様に、ある程度の色合いの制御も可能です。

 画像2でも、アクリル板に銅を成膜した例を示しています。
 こちらは、手でサンプルのアクリル板を持ち、指で曲げています。
 繰り返し曲げる動作をしても、膜が剥離することはありませんでした。


 これらの成膜には、パルスレーザーを使用しています。
 但し、所謂、パルスレーザーデポジション(PLD)ではありません。
 この成膜方法は、PLDとは異なる考え方に基づいた成膜方法であり、現在、開発を進めています。
 
 今のところ、成膜可能な基板は透明ガラス、透明アクリル板ですが、その他の基板材料も検討中です。
 また、成膜可能な材料は、金属ならば対応可能と思われます。

 加飾、アクセサリー、ロゴ、コード(QR,JAN,etc)などへの利用可能性があると思われます。
 

スライドガラスに細い金属膜を成膜して、文字や図を書いてみた。

 こういうものを描いてみました(画像1)。
 大気雰囲気(=真空中ではない)、且つ、
 室温(=基板加熱無し、雰囲気加熱無し)でスライドガラスに描いています。

画像1の日本地図・文字は、細い金属薄膜で形成されています。
文字部分の線幅は、約0.05mmです。

これらの文字・パターンは、“細い薄膜”で形成されています。
しかし、パルスレーザーデポジション(PLD)による成膜ではありません。
また、ガラス基板へのマーキング加工でもありません。
英字で“Printing”と成膜していますが、印刷でもありません。つまり、インクではない。
適当な表現が見つからないので、“Printing”にしていますが、実質的には「成膜」プロセスになります。

特別な洗浄などはしていない普通のスライドガラス基板上に、レーザーを使用して、描いたものです。
どんなパターンの線も、事前にプログラムしておけば、マスクレスで描くことが可能です。

基本的には常温常圧雰囲気で作成できます。
原理的には、真空中でも成膜可能です。

膜の密着力について。
大気雰囲気で成膜していますが、普通に、水洗いしても、テープで剥離させようとしても剝がれたりはしません。
画像1は、ガラスに成膜した雰囲気をお伝えする為に、指でガラスを持っている画像を撮っています。
画像2は、画像1と同じパターンです。寸法イメージをお伝えする為、再掲しています。

ちょっとしたアクセサリーや、おもちゃ、ロゴ、QRコード、バーコード
などに使えるかもしれません…が、利用方法は、目的次第ですね。

ちなみに、今回の作成例では、金属膜が成膜されているのは、ガラス裏面です。
ガラスが透明なので、表面に成膜されているようにも見えますね。

裏面に成膜するメリットの一つは、ガラス表面が汚れても成膜パターン自体は傷つかず、汚れないことです。

おわりに、色の濃淡も条件次第で制御できることを示しておきます。

画像3は濃淡制御をした例です。
上段は薄め、下段は濃いめの文字になっていることが分かりますね。

【応用】すばる望遠鏡

すばる望遠鏡は、日本が1999年に製作したハワイ島マウナケア山頂(4,200m)に設置されている巨大な反射望遠鏡です。自然科学研究機構国立天文台が運営しています。

望遠鏡の反射鏡は、大きいほうが光を集める能力が高くなりますので、観測には有利です。

主鏡の口径は8.2mmで一枚鏡としては世界最大です。望遠鏡に使用される反射鏡は1950年代から大型化が始まり、主流だった3mから徐々に大きくなってきました。世界一大きな天体望遠鏡の口径は、2007年にできたアメリカ・アリゾナ州にあるグラハム山国際天文台の11.9mですが、これは2枚の鏡からできているため、一枚鏡の望遠鏡で最大のものは、日本のすばる望遠鏡となります。

この主鏡は、超低熱膨張ガラスで作られており、厚さが20cm、重さ22.8トンもあります。表面の平均誤差が0.014マイクロメートルととてつもなく高精度にできています。

地球上から観測するためには、空気が澄んでいて、空が暗く、天候の良い日が多いことが望まれます。日本国内では候補地がなかったため、ハワイ島のマウナケア山頂が選定されました。標高4,200mの山頂の気圧は平地の2/3で、晴天が多く乾燥しているそうです。また、貿易風により雲がかかることがあまりありません。さらに、周囲に都市がないため暗く観測には最適の条件と言えます。この設置のための準備期間は20年にも及んだそうです。このような好条件のため、マウナケアには 11 ヶ国13 の望遠鏡を運営しています。

観測の成果は、ホームページのギャラリーで公開されており、どの画像も息をのむ美しさです。また、科学的にも多くの成果を上げており、今後のさらなる成果に期待できます。

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。

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。    

“偏光(へんこう)”って何?(1)~意外と身近な偏光~

「偏光」という言葉を見たり、聞いたりしたことのある人は、多いのではないでしょうか?
ただ、「偏光って何?」と考えると、いまいちよく分からないという方もいらっしゃるかもしれません。

 そこで、今回は、「偏光」について、ざっくりとした感じで書いていきたいと思います。

「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です。
 それに対して、「自然光」は、ありとあらゆる方向に振動しています。
 だから、これを「ランダム偏光」と呼ぶ場合もあります。
 ただ、それでは、「だから偏光って何なの?」という感じがしますよね。

 まず身近にある偏光について例を挙げてみます。
 例えば、次のような経験をしたことはありませんか?
 偏光サングラスをして運転席からカーナビのディスプレイを見てみる。
 すると、変な見え方になった経験とか…

 偏光サングラスをかけたままで、ガソリンスタンドでセルフ給油していた。
 そのとき、液晶画面(金額表示や、給油量など)が見えずらくなった経験とか…。

 なぜ見えずらいことになってしまうのか?
 それは、偏光サングラスをした状態で、偏光した光を見ていたからです。

液晶ディスプレイを通して見えている光は、実は、偏光子を通して眼に入っています。
その光は、偏光しているのです。

もしも、偏光サングラスなどを持っていれば、1秒で偏光を実感できる実験があります。
※結果画像はページ下部に載せています。

まずは、用意するものです。2つ必要です。

  • 「画面が表示されている液晶ディスプレイ」
    スマホでも、パソコンでも、テレビでも、要は液晶ディスプレイならば何でもOKです。
    ただ、プラズマテレビではダメです。偏光してませんから。
    表示させるものは、静止画でも動画でもなんでも構いません。
  • 「偏光サングラス」
    必ずしも偏光サングラスでなくても構いません。
    偏光子、あるいは、“偏光子のようなもの”であれば、何でも構いません。(そのようなものを持っていない人は残念ながら、この実験ができませんが、大丈夫です。結果の画像は、このページ下部にあります。)

準備は、これで終わりです。

さて、これから実験です。手順は4つです。

  1. 液晶ディスプレイを見ます。
     このページを見ていただいている時点で、液晶ディスプレイを見ている状態かもしれませんね。

2. 自分の両手で偏光サングラスを持ちます。

3. その偏光サングラスを自分の眼と液晶ディスプレイの間にもってきて、ディスプレイと大体平行になるように持ちます。

4. 3の状態から、偏光サングラスを液晶ディスプレイと平行に、クルマのハンドルを回すように回転させます。
 ※右回りでも左回りでもOKです。

すると、液晶ディスプレイが見える角度と見えなくなる角度があることに気が付くはずです。ほとんどの場合、90度回す度に、“見えない状態”⇔“見える状態”が繰り返されるはずです。おもしろくないですか?
普通の眼鏡レンズではこのようなことにはなりません。

 更に、光の反射がからむとどうなるか?
 などが絡んでくると長文になりますので、それは、またの機会に。

★実験結果★

 ページ下部の2枚の画像は、偏光サングラスを通して、液晶ディスプレイ画面を見ている様子を撮影したものです。

※茶色に着色された偏光サングラスで見ています。その為、サングラスを通してディスプレイを見ると茶色っぽく着色して見えています。その点は、重要ではないので、気にしないでください。

 左と右の画像では、サングラスが大体90度回転しています。
ディスプレイの額縁とサングラスのフレームの位置関係から、ほぼ90度回転していることが、見てとれるかと思います。

 右下の画像では、液晶ディスプレイがほとんど見えなくなっていますね。
※色の濃さの異なる別々のサングラスを使っているわけではありません。

 これは、ディスプレイの偏光方向とサングラスが透過できる偏光の角度が、光が透過できない位置関係になっている為です。

 光の透過具合は、偏光サングラス(偏光レンズ)の品質(偏光度合など)で多少の差はあると思いますが、光の透過量の違いは明確に感じられると思います。

液晶ディスプレイが、偏光サングラスを透過して見えている。液晶ディスプレイからの発光が遮られている。右側の画像よりも偏光サングラスが約90度回転している。

【基本】非球面レンズの加工

非球面レンズは、収差を抑えたり薄くできたりと、球面レンズに比べて多くのメリットがあります。しかし、表面が単なる球面ではありませんので、その製造には工夫が必要です。

1. 型を使う方法

球面レンズでも非球面レンズでも、型を用いて成型によりレンズを作ることは従来から行われてきました。この方法では、大量のレンズを精度よく低コストで製造できます。

従来から、金属の型を超精密旋盤等の工作機械を用いてきました。高精度の工作機械を用いると表面を非常になめらかに加工でき、また、形状も自由に変えることができます。この金属の型で樹脂を成型してCDのピックアップレンズや低価格のカメラなどの光学機器が作られてきました。

しかし、ガラスは融点が高いために金属の型では成型が困難でした。そこで、近年は耐熱性のファインセラミックスが登場に、それによりガラスの成型も可能になりました。このように型で成形されたレンズは、モールドレンズと呼ばれ、デジタルカメラなどのレンズに多用されるようになりました。

また、複合非球面レンズと呼ばれ、ガラスのレンズの表面に樹脂のレンズを成型したものもあります。基材がガラスのため、プラスチックレンズよりも温度や湿度の影響を受けにくいという特徴があり、焦点距離の変動が少ないため、カメラの交換レンズ等に応用されています。

2. 非球面創生

型による大量生産ではなく、1つ1つ非球面レンズを加工していく方法もあります。レンズの製造過程で、砂かけ・研磨の段階がありますが、この時にレンズの表面に非球面形状を創生します。こちらは、高額な型を作らないため、多品種少量生産に向いています。

加工原理から、半径方向の同心円の細かな傷を除去することが非常に困難です。そのため、多くの研究がなされています。

レーザー微細加工をご利用の際のヒント

レーザー加工と言っても、実は、そのレーザーにも色々な種類があるのです。

 前半では、レーザーの使用用途によって、色々な種類があること。それを身近な例を引きながら、ご説明します。
 後半で、微細加工で使用されるレーザー加工の得意な点、不得意な点についてご紹介します。

●レーザーにも色々な種類があることを説明する為、所謂、「クルマ」を例にご説明します。

 日頃から、街中でもよく見かけるクルマにもレーザー同様に色々な種類があり、それぞれの得意分野があります。それでは具体的に、見ていきましょう。

 消防車は火を消すための専用車。トラックなら大量の荷物を運ぶことが得意。ミニバンなら多人数乗車と大きめの荷物を積むのに都合が良い。SUVなら、荒れた道でも安心して走れる。

 F1カーなどのレーシングカーは荒れた道は大の苦手。しかし、専用サーキットコースであれば、クルマ界では、最も速く走れるクルマです。

 一言に、クルマといっても、色々な種類があるというイメージを持っていただけたと思います。

 要するに、「レーザー」という“名前”は、色々な種類のレーザーをひっくるめた呼び名。それは、「クルマ」という“名前”のなかに、多様なクルマが含まれているのと同様です。

 従いまして、レーザーも、その種類によって、得意・不得意があります。

 例えば、会議などで使用するレーザーポインター。脱毛治療などに使用するレーザー。眼科治療に使用するレーザー。厚い金属板を火花を散らしながら切断するレーザー、など。

 世の中では、多様なレーザーが、それぞれの特徴を生かして、様々な現場で活躍しています。各分野のレーザーの仕事は、他の仕事が得意なレーザーでの置き換えはできません。つまり、金属板を切断するレーザーで、脱毛治療はできないという意味です。

●さて、ここからが後半です。当社でレーザー微細加工に使用しているレーザーにも、実は、得意・不得意があります。一応、念のために、補足しますが、後述する“不得意なこと”でも、条件によっては不得意でなくなる場合があります。
 このページで、敢えて、不得意なことをホームページに載せるのは、比較によって“得意なこと”の理解を助ける為ですので、ご承知おきください。

【得意なこと。特徴など。】

・少しずつ加工する。
 深さでいうと数μm~数十μmずつなどエッチングするような加工など。

・加工される部分以外への熱影響はほぼ無し。
 だから、樹脂材料でも焦げなく加工できるものが多い。

・薄く壊れやすい材料への微細加工(数十μm程度)
 例えば、切断加工、穴あけ加工など。
 加工時の振動、接触、摩擦、熱などがほとんど無く、材料へのダメージなどは、ほとんどありません。機械(刃物)加工の場合、一般的に、刃物と材料の接触で曲がってしまうなどの問題がありますが、超短パルスレーザーでの加工の場合、物理的な接触が無い為、そのような心配はありません。

・微細な形状を形成する。
 金属表面に段差50μmの階段を3段作る。

・数十μm程度の厚さの材料に、Φ10μm程度の穴を狭いピッチ(数十μm程度)で、Φ1mmのエリア内などに多数あけること。

・数mm×数mm程度のサイズに切り出す加工。或いは、数十μm×数十μmなどの切り出し加工も可能。薄い材料の方が得意。

・数十μm□~数十mm□程度の表層部分(数μm~数十μm)のみを除去すること。ただし、除去した表面には、レーザースポットの関係で、多少の凹凸は残ります。

【不得意なこと(できないわけではないけれど…)】

・深さ(厚み)数mm程度の加工。加工はできますが、時間がかかるという意味で不得意領域。

・大面積への加工。
 レーザーのスポットが十数μm程度なので大面積への加工は時間がかかる。

・通常、穴をあけると、穴の一方(レーザー出射側の方)の直径が小さくなる。 所謂、テーパー穴となります。
 但し、加工方法によっては穴の入口、出口の径がほぼ同じにすることも可能。

以上、微細加工の御検討の際に、参考なれば幸いです。