複数3Dトラクタカーブビーム同時生成、高度光学操作への応用

概要

トラクタビームは物体を引き寄せる能力を持つ特殊光ビームクラス。現在、ホログラフィック技術で複雑光学トラクタビーム成形が基礎研究と実用応用両面で進められている。しかし、報告大半は二次元（2D）トラクタビームと単純三次元（3D）トラクタビーム生成に焦点、ビーム成形メカニズムと応用更なる発展に限界。本研究では、空間位置独立制御可能な複数3Dトラクタビーム設計研究紹介。同時に各個別ビームを任意幾何曲線沿いに規定、任意角度捻転可能。本手法では各曲線のコンピュータ生成ホログラム（CGH）計算、全CGHをそれぞれ線形位相グレーティング加算により1つ位相オンリーホログラムへ多重化・エンコード、異なる3D曲線が焦点領域異なる位置に出現。3D配置光学トラクタビーム生成容易達成実験的証明。本研究生成ビームは複数マイクロマシニング光学トラッピング、複雑3D操作等応用に特に有用。

序論

古くから光が力 exert すること実証済み。光学ビームで物体引き寄せるアイデアも長年注目。位相特異点と独自軌道角運動量で、光学渦は光学マイクロ操作、量子通信、光学イメージング、光学計測分野で重要研究価値[1-6]。光学渦生成技術発展し様々応用価値あるも、単一光学渦効率依然低い。複数粒子同時捕捉と個別操作 위해、光学渦アレイ生成がホットトピック[7,8]。

最近理論研究[9-13]で、トラクタビームは照射物質を長さ方向に光源へ輸送できる進行波と示唆。レーザービーム制御新進展でトラクタビーム実験的実現[14,15]。重要3D渦トラップタイプはソレノイドビーム、光軸周り固定螺旋形状[16]、位相勾配この曲線沿い規定でトラクタビーム取得。共軸ベッセルビーム重ね合わせに螺旋位相課すことで達成。RuffnerとGrier[17]、軸波数異なる2同軸ベッセルビーム干渉得られるトラクタビームクラス実験的実証・解析。2013年Rodrigoら、設計位相オンリーホログラム空間光変調器（SLM）ロードしレーザー照射でトラクタビーム効率生成法提示。コンピュータ生成ホログラム（CGH）ベースで位相と強度規定される高強度勾配（HIG）ビーム生成技術使用[18]。異なる3D幾何学ビーム成形可能実験的証明。HIGと位相勾配力が光放射圧逆らい複数粒子移動可能3Dレーザートラップ構築に不可欠[19]。RodrigoはHIGと位相勾配力含むフリースタイルレーザートラップが複数粒子閉じ込め駆動可能示す[20]。しかし報告大半単純3Dトラクタビーム生成焦点、ビーム成形応用更なる発展に限界。上記分析基盤、複数3Dトラクタビーム生成高度ビーム成形技術喫緊必要。

本論文では、全CGHをそれぞれ線形位相グレーティング加算し1つ位相オンリーホログラムへ多重化・エンコードする改良ホログラフィックビーム成形技術用い、複数3Dトラクタビーム生成法実証。異なる角度捻転複数3Dトラクタビーム設計。新規トラクタビーム光学渦応用分野拡大期待、超高性能複数光学応用実現潜在的有用。

方法

図1aに[18]ホログラフィック3Dビーム成形技術スキーム示す、強度と位相分布が規定3D曲線追従する複雑ビーム設計可能。複素振幅場位相ホログラフィックグレーティングエンコード法でCGH計算。所望焦点ビーム生成ため、入射面複素振幅式(1)与える：

$$ G(x,y)={\int}_0^{2\pi}\varphi(x,y,t)\phi(x,y,t)\sqrt{{[x_0'(t)]}^2+{[y_0'(t)]}^2} dt $$ (1)

式(1)項ψ(x,y,t)とφ(x,y,t)式(2)(3)決定：

$$ \varphi(x,y,t)=\exp\left(i\pi z_0(t)\frac{[x-x_0(t)]^2+[y-y_0(t)]^2}{\lambda f_0^2}\right) $$ (2) $$ \phi(x,y,t)=\exp\left(\frac{i}{\omega_0^2}[yx_0(t)-xy_0(t)]+\frac{i\sigma}{\omega_0^2}{\int}_0^t[x_0(\tau)y_0'(\tau)-y_0(\tau)x_0'(\tau)] d\tau\right) $$ (3)

[x₀(t), y₀(t), z₀(t)]はデカルト座標規定3D曲線、t∈[0,2π]。f₀とλはフーリエレンズ焦点距離と波長。

式(1)で入射複素場（複素CGH）計算可能、構造安定焦点ビーム成形、特殊強度分布と位相勾配（曲線沿い螺旋位相）。まず2Dリング曲線x₀(t)=Rcos(t), y₀(t)=Rsin(t)考慮。結果ビーム強度分布図1b。リング位相分布トポロジカルチャージm=1で曲線沿い明確定義（図1c）。図1d傾斜リング考慮。リング曲面平面z=0基準一定角度傾斜。この場合ビーム焦点上下点出現（図1e）。

焦点領域部分分離様々トラクタカーブビーム多重化ため、式(1)計算各複素CGHをユニークキャリア周波数エンコード必要。各ビームホログラムに線形位相グレーティング加算で達成。線形グレーティング空間フィルタ組合せで第1次回折次数分離、不要0次と高次回折次数除去一般的。線形位相グレーティング伝達関数式(4)与える：

$$ \varphi_i(x,y)=kz_i\sqrt{1-\frac{x^2}{f_0^2}-\frac{y^2}{f_0^2}}+k\left(\frac{xu_i}{f_0}+\frac{yv_i}{f_0}\right) $$ (4)

uᵢ、vᵢは焦点距離f₀フーリエレンズで達成遠方場生成ビーム空間座標。k=2π/λ波数、zᵢ焦点面（フーリエ面）から軸方向シフト変位。複数トラクタカーブビーム同時生成ため、最終複素CGH式(5)加算：

$$ H(x,y)=\sum_{i=1}^n G_i(x,y)\cdotp \exp[i\varphi_j(x,y)] $$ (5)

結果と考察

3D配置光場制御は流体環境粒子3D操作等実用応用で意義大。したがって強度と位相が異形状3D曲線沿い規定されるHIGビーム生成研究。具体的に傾斜リング図2a-e、アルキメデス螺旋図2f-j、トレフォイルノット曲線図2k-o、正方形曲線図2p-t考慮。対応曲線式表1提供。これら3D構造ビーム伝播沿い焦点領域で顕在化。焦点面(z=0)測定ビーム強度分布図2第3列示す。図2他列対応Z座標シミュレーション図記載。

光学マイクロ操作分野で、異なる3D歪み度トラクタビーム更大役割果たせる。しかし高効率ため、異なる場所で差別化操作同期実行強く望まれる。したがって4パターン複数トラクタビーム同時設計、各々任意幾何曲線で与えられた粒子閉じ込め、一定3D歪み度可能。トラクタビーム相対位置設計可能。複数トラクタビーム3D領域焦点証明ため、6個2D平面選択観察。トラクタビーム異なる2D平面焦点、図3参照。これら3D構造ビーム伝播沿い焦点領域顕在化。

複数操作粒子相互作用観察ため、銅製ネステッドグラフィックトラクタビーム設計。内外ビーム3D歪みと形状個別設計可能。リング曲線面(z=0)焦点、正方形曲線一定3D歪み（図4a-e参照）。正方形曲線面(z=0)焦点、リング曲線一定3D歪み（図4f-j参照）。焦点面(z=0)測定ビーム強度分布図4第3列示す。図4他列対応z座標シミュレーション図記載。トラクタビーム形状柔軟調整可能、異なる位置粒子制御。

光学実験実施、上記手法で複数3Dトラクタビーム調整可能焦点領域焦点化達成検証。図5に3Dトラクタビーム生成光学セットアップ示す：液晶空間光変調器（SLM）、4fフィルタリングシステム、フーリエ変換（集光）レンズ。532 nm固体レーザー平面波照明用コリメート。SLM（Holoeye Pluto、8 µmピクセルピッチ、1920×1080解像度）位相オンリーCGHアドレス用利用。式(4)計算複素CGH H(x,y)を二重位相法[18,20]で位相オンリーCGHエンコード。複素関数ホログラムとしてSLMエンコード構成。SLM変調ビーム4f光学フィルタリング構成通しフーリエ変換レンズ（f=400 mm）バックアパーチャー投影。電荷結合素子（CCD）カメラ集光レンズフーリエ面配置、生成強度パターン記録。3Dトラクタビーム結果図6示す。4f光学系通過後誤差あるもシミュレーション結果良好一致。

複数3Dトラクタビーム結果図7示す。シミュレーション比較便宜6個2D平面選択観察。シミュレーション結果実験結果良好一致。本手法柔軟効率的複数3Dトラクタビーム生成可能検証。一定3D歪み度異なるビーム粒子閉じ込め可能。

銅製ネステッドグラフィックトラクタビーム結果図8示す。シミュレーション結果実験結果良好一致。従って2ネステッドビーム殆ど相互作用なし。トラクタビーム異なる曲線上複数粒子操作用可能。

結論

空間位置独立制御可能複数3Dトラクタビーム設計。同時に各個別ビーム任意幾何曲線沿い規定、任意角度捻転可能。3D配置光学トラクタビーム生成容易達成理論的実験的証明。高強度勾配と位相勾配粒子捕捉能力有す。現在実験実施、光学渦ビーム粒子損傷最小限。本研究トラクタビームタイプ拡大。更なるトラクタビーム発展複数光学応用に意義深く有用と信ずる。

略語

2D

二次元

3D

三次元

CGH

コンピュータ生成ホログラム

HIG

高強度勾配

SLM

空間光変調器

HfO₂/Si界面の温度依存的進化：結晶化メカニズムと最適アニーリング条件 CTABキャップ種晶とエージング時間制御による銀ナノ粒子形態制御