全球首次生成可自由改变波长的矢量同步辐射光束

新技术 2018年07月25日
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日本广岛大学放射光科学研究中心的助教松叶俊哉,与名古屋大学同步加速器光研究中心的特任副教授保坂将人,以及自然科学研究机构分子科学研究所的教授加藤政博等人组成联合研发小组,利用分子科学研究所的同步辐射加速器UVSOR-III,成功生成了被称作“矢量光束”的特殊光线。

矢量光束是偏振方向按照一定规则在空间上发生变化的特殊光线。其生成技术此前就已确立,对于波长比可见光长的光,利用激光和特殊的光学元件,就能生成矢量光束。为了将其应用于显微镜、纳米技术和信息通信技术等,相关研究人员展开了积极的研究。其中比较知名的用途是在超高分辨率显微镜上的应用,在2014年获得了诺贝尔化学奖。

此次的联合研发小组开展的研究是,利用同步辐射光源,通过波长比可见光更短的紫外线和X射线,生成这种具备空间结构的光。在这项研究中,研发小组着眼于新的想法,使用两台能产生高强度同步辐射光源的波荡器,合成了2束同步辐射光束,这样,在全球首次成功生成了可自由改变波长的高强度的“矢量同步辐射光束”(图1)。

可自由改变波长的矢量同步辐射光束

图1:测量的光强度和偏振方向的分布

利用此次的成果,可在紫外线和X射线的波长区域生成了高强度的矢量光束,这在以前还未实现过,有助于开发物质科学和生命科学领域的新的研究方法。

该研究相关论文已于2018年7月13日发表在美国物理学协会的学术杂志《Applied Physics Letters》上。

研究背景

光是一种电磁波,电场和磁场的振动以横波的形式在空间传播。此时,电场沿特定方向振动的光称为线偏振光(图2),电场的方向沿圆形轨迹旋转的光称为圆偏振光。通常的线偏振光束,其截面的任意位置都向同一方向偏振(图3)。而矢量光束的偏振方向在中心轴周围会随着位置逐渐变化,旋转一圈后回到原来的方向(图4)。矢量光束有很多种类,例如,电场沿着从光束中心向外的方向振动的光被称为径向偏振光,其特点是,强烈聚光后,电场会朝向光的行进方向,聚光面积比原来认为的极限还要小,有望应用于多种用途。

可自由改变波长的矢量同步辐射光束

图2:线偏振光的电磁场

可自由改变波长的矢量同步辐射光束

图3:普通光的强度与偏振状态分布示例    图4:矢量光束的强度与偏振状态分布示例

这种矢量光束可以通过重叠名为“光涡”的光束来形成。光涡是波面呈螺旋状的特殊光,也是一种具备空间结构的光(图5、6)。合理选择光涡的偏振方向和波面结构并将其重叠,便可生成各种矢量光束。不过,以往那种利用激光和光学元件的生成矢量光束的方法,其波长范围仅限于可见光附近。

同步辐射光是高能电子发射的电磁波,在从太赫兹波到真空紫外线及X射线的广波长范围,作为高强度且高品质的光,被广泛应用于基础学术研究及工业用途。如果能利用同步辐射光生成具备空间结构的光,那么在光波的所有波长范围都能利用这种新奇的光。

可自由改变波长的矢量同步辐射光束

图5:光涡的波面(电磁场的振动相位相等的面)

可自由改变波长的矢量同步辐射光束

图6:光涡的强度与偏振状态分布示例

研究成果

联合研发小组此前已经证实,同步辐射光源广泛利用的圆偏振光波荡器辐射的光是具备空间结构的光中的一种——光涡。根据这一成果,此次决定串联两台圆偏振光波荡器,重叠2束光涡光束生成矢量光束。这种重叠2束波荡器光束的方法,此前曾被用于生成圆偏振光束的交叉型波荡器技术,而此次是首次尝试用来生成矢量光束这种具备空间结构的光。

实验采用日本分子科学研究所的小型高亮度同步辐射光源UVSOR-III的光源开发用光束线(以下简称BL1U)。BL1U无需通过透镜等光学元件,即可提取直线排列的两台波荡器发出的紫外线区域的光束。两台波荡器生成了旋转方向相反的圆偏振光涡紫外线光束,利用偏振滤光片这种只通过电场沿特定方向振动的光的光学元件,详细调查了提取的光的偏振状态的空间分布。结果显示,光的偏振状态在光束中心轴周围发生变化(图7)。另外,通过改变两台波荡器之间的电子轨道长度,控制两束光束的重叠时机,观测到了偏振方向同时发生变化的情形这与计算机仿真结果一致,由此确认生成了矢量光束。

可自由改变波长的矢量同步辐射光束

图7:波荡器的概念图

未来应用

此次研究首次证实,通过同步辐射光可以生成“矢量光束”这种具备空间结构的光。此次的实验在紫外线区域实施,将该方法用于大型同步辐射设施,便可生成X射线矢量光束。如果组合使用特性不同的各种波荡器,应该还可以生成各种各样的矢量光束。另一方面,要想生成光涡和矢量光束等具备空间结构的光,需要使用名为“衍射极限光源”的高性能同步辐射光源。目前,包括日本在内,很多国家都在推进建设新一代高性能同步辐射光源,考虑如何利用这些设备发挥光涡和矢量光束的特性,应用于物质科学和生命科学。

文 客观日本编辑部

相关论文:
题目: Generation of Vector Beam with Tandem Helical Undulators.
作者: Shunya Matsuba, Keigo Kawase, Atsushi Miyamoto, Shigemi Sasaki, Masaki Fujimoto, Taro Konomi, Naoto Yamamoto, Masahito Hosaka, and Masahiro Katoh.
发表杂志:《Applied Physics Letters》(出版社:AIP Publishing)
DOI号: 10.1063/1.5037621
网址: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5037621

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