【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。

【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。

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。

【応用】次世代超大型望遠鏡(TMT)

次世代超大型望遠鏡(Thirty Meter Telescope: TMT)は、国立天文台が日本、米国、カナダ、中国、インドによる国際協力により進める大型望遠鏡建設計画です。既存の8m級の望遠鏡による研究をより大きく発展させることができると期待されます。2022年の本格運用を目指してプロジェクトが進められています。

このプロジェクトでは、プロジェクト名になっているように、口径30mの主鏡をもつ超大型の望遠鏡を建設します。これにより、従来の8m望遠鏡とくらべると解像力は約4倍(補償光学技術を含む)になり、集光能力は10倍以上となります。

この主鏡は、ガラスセラミックス製で、対角が1.44mの六角形をした鏡を492枚組み合わせることで実現されます。わずかに形状の異なる82種類の非球面鏡を6枚ずつ使用して主鏡を構成します。精度のよい観測をするため、鏡の表面粗さは2nmと非常に小さくなっています。

大気のゆらぎによる観測誤差を低減するため、赤外線による観測を行い、さらに、補償光学技術が用いられます。これにより宇宙から観測する宇宙望遠鏡以上の解像度を実現します。

この望遠鏡は、すばる望遠鏡と同じく、ハワイ島のマウナケア山頂に設置されます。標高4,200mの高地は世界中でもっとも天体観測に適している場所と言われています。既存のすばる望遠鏡との連携による新たな発見も期待されます。

この望遠鏡が完成すると太陽系外惑星をより詳しく知ることができ、生命が存在する新たな惑星の発見ができるかもしれません。また、宇宙の起源を解き明かす発見があるかもしれません。

こちらのサイトには、望遠鏡のギャラリーがあります。

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…。
一応、印刷されたように見えるので。

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。

【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。

【応用】フィゾー干渉計

レーザーを応用した干渉計の一つにフィゾー干渉計(Fizeau interferometer)があります。これは発散光をうまく用いて大面積を一度に正確に測定できる優れた干渉計です。

基本的な原理は、下図のように、光源からの発散光を用います。発散光はコリメータレンズで平行光に変換され一部の光を通す参照面に進みます。一部の光は参照面で反射します(緑線)。この参照平面は、オプティカルフラットとも呼ばれ基準となるため非常に高い平面度を持っています。他方は参照面を透過して被測定物へ進み、そこで反射します(赤線)。両方の光は重なり合い、コリメータレンズで集光されます。集光された光はビームスプリッターで45度方向を変えられ、検出器に進みます。この重なり合った光は、参照面と被測定物面との光路差で干渉し、強め合ったり(明線)、打ち消しあったり(暗線)します。この違いを検出器で検出することで、参照面と被測定物の形状誤差を測定することができます。

ビームスプリッターや検出器の位置が異なるなど、多少の構成の違いはありますが、基本的な原理は、この図で説明できます。また、ここでは、平面を測定する例を示しましたが、コリメータレンズ後に再度光を集光させ(キャッツアイ)そこに参照面を置くことで球面の測定も可能となります。

光源としては、He-Neレーザーなどが用いられます。参照面は数十nmという非常に高い精度で加工されています。検出器としては、CCD素子などが用いられ、専用ソフトウエアと組み合わせることで簡易な測定を実現しています。また、干渉縞を走査してより高い精度で測定を行う「フリンジスキャン」という技術もあります。測定できる面積(口径)は、測定機により、φ数十~数百mmとなっています。

このようにフィゾー干渉計は、構造が簡単でありながら、光学平面や球面を非常に高精度に測定できます。また、面を一括して測定できるために、安定した測定が行え、測定時間の短縮にもなります。これらの特長のために、多く使用されています。

【応用】マッハ・ツェンダー干渉計

マッハ・ツェンダー干渉計(Mach–Zehnder interferometer)は、1つの光源からの光を2つに分け、その光路差(位相差)を干渉によって検出する干渉計の一種です。通常は、一方の光路中にサンプルを置き、その影響によって生じる位相差を検出します。

図のように、1つの光源からの光がビームスプリッター(BS1)によって2つに分けられます。それぞれの光はミラーによって光路を変えられ、再度ビームスプリッター(BS2)によって結合されます。結合された光は、干渉し干渉縞を形成して、検出器1もしくは2にて検出されます。

ここで、2つに分けられた光の光路差が波長λの整数倍nと等しければ、光は強め合い検出器で検出される干渉縞は明るくなります。反対に、光路差が波長の整数倍からずれると徐々に光は弱めあうことになりn+1/2倍の時に最少となり干渉縞は暗くなります。

実際には、物理的に光路長を変えるのではなく、光路中にサンプルを挿入するとそのサンプルの屈折率の差から光路差(位相差)が生じて、検出器にて干渉縞が観察されることになります。

この干渉計を構成する光源は、Ne-Neレーザー、半導体レーザー(UV~IR)などが多いようです。有効鏡径は、φ数mm~数百mmまでのものもあるようです。検出器としては、CCDカメラ、デジタルカメラ、光速度カメラなど、使用用途によって選択されます。

この干渉計は、光が到達しさえすれば、検出できるため、比較的大きな空間での利用が可能です。そのため、光学部品の精度測定、流体力学での流れの可視化やプラズマ工学や伝熱学など、気体の圧力、温度勾配の測定にも用いられます。また、最近では、量子もつれや量子暗号などでも使われるようです。

この他の干渉計にマイケルソン干渉計がありますが、光の反射を伴うマイケルソン干渉計と異なり、マッハツェンダー干渉計はシングルパスの干渉計です。