高分解能マルチフォーカス強度パターン向け
ファイバーベースホログラム

回折光学素子（DOE）とホログラムは、光波をさまざまな形で操作する魅力的な手段です。まるで光で絵を描くように、特定の明暗パターンを作り出し、光波の位相を変化させることができます。DOEが単一像面上の2Dパターンを主に生成するのに対し、ホログラムは複数の焦点面を持つより複雑な3次元表現が可能です。審美的な魅力に加え、強度と位相分布を空間的に制御した光場は、顕微鏡における各種照明シナリオ、光トラッピング、並列化3Dナノプリンティングなど多くの応用に大きな可能性を持ち、ナノフォトニクス、ファイバーオプティクス、導波路技術、また高次光学共鳴の精密励起を必要とするあらゆる分野に新たな可能性をもたらします。

二光子重合による3Dナノプリントホログラム

一般に、位相制御ホログラムは振幅マスクよりも効率的にマルチフォーカル光パターンを生成できることが広く知られています。しかし、位相そのものの直接設計は依然として困難であり、多くの場合、既知なのは強度分布のみです。 独国イエナのライプニッツ光子技術研究所 （Leibniz IPHT）の研究者たちはこの課題に取り組み、NanoscribeのTwo-Photon Polymerization（2PP）技術を活用してホログラムオプティクスの3Dマイクロファブリケーションを行い、複数の焦点からなる複雑なパターンを実現しました。製作されたホログラムの主な特長は、強度分布を変調するだけでなく、各スポットの相対位相も制御できる点です。各焦点の位相と生じる干渉を操作することで、個々のフォーカス間の相互作用を研究し、2つの焦点の分解能限界について注目すべき知見を得ました。さらに研究者たちは、新たな設計手法を用いてシングルモード光ファイバー上にホログラムを3Dプリントし、2つの別々の像面上に約200個の焦点分布を生成しました。

光分解能の限界

開発されたホログラムは、波動光学の基礎概念であるホイヘンス・フレネルの原理に基づいています。これは、波面上の各点が球面二次波の波源となり、これらの二次波の重ね合わせにより後の時点の波面が形成されるという原理です。この理論を拡張した干渉ベースのアプローチにより、3次元空間に分布するスポットアレイにおける個々の焦点の強度と位相の両方を制御できます。シミュレーションしたホログラム設計で隣接する2つの焦点の位相を変調することで、研究者たちは興味深い知見を得ました。2つの焦点は光分解能限界以下に設計されているにもかかわらず、互いに識別・分離できることが示されました。

シミュレーションの正確さを実証するため、Nanoscribeの3Dマイクロファブリケーションが活躍しました。イエナのチームは直径60 µmで最小サブミクロンフィーチャを持つホログラムを3Dプリントし、シミュレーションと実験結果の完璧な一致を確認。これにより2PPベースの3Dマイクロファブリケーションの卓越した精度が実証されました。

光ファイバー上の3Dプリントマルチフォーカスホログラム

研究プロジェクトのハイライトとして、研究者たちは新たな設計手法を用いて複雑なホログラムを開発し、2つの別々の像面上に192個の焦点を提供しました。第1の像面には各焦点ポイントによりIPHT研究所のロゴが、第2の像面には「IPHT」の文字が現れます。サブミクロンのフィーチャサイズを持つ挑戦的な設計は、637 nmの赤色光用カスタムシングルモードファイバーのファセット上に最高精度でプリントされました。