JP2022551460A - 熱光学空間光変調器 - Google Patents
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Abstract
Description
前記熱光学媒質の前記層と熱接触状態にある少なくとも1つのマイクロ加熱源であって、各マイクロ加熱源が10μmより小さい少なくとも1つの寸法を有するマイクロ加熱源と、
前記熱光学媒質と熱接触状態にある少なくとも1つの基板であって、前記熱光学媒質の熱光学係数よりも少なくとも10倍小さい熱光学係数と、少なくとも1W・K-1・m-1の熱伝導率とを有し、前記基板の前記熱伝導率は、前記熱光学媒質の前記熱伝導率よりも高い基板と、
を備える、空間光変調器が提供される。
-前記マイクロ加熱源(特に、ナノ粒子光熱素子)のプラズモン振動数を有する変調ビームの照射;
-前記マイクロ加熱源(特に、(複数の)光熱素子の層)が吸収する変調ビームの照射;
-前記マイクロ加熱源(特に、電熱素子)の導電回路内の電流によって生じる誘導加熱またはジュール効果。
前記複数の光熱素子により吸収することのできる少なくとも1つのスペクトル成分である変調ビームを放出する1または複数の光源と、
前記1または複数の光源と前記複数の光熱素子との間に配置された少なくとも1つの導光手段を備える光学系と、
をさらに備えることが好ましい。
少なくとも1つのスペクトル成分を有するプローブビームの源と、
ビームスプリッタまたは分割ミラーと、
結像手段と、
本発明に係る空間光変調器と、
複数のレンズ、複数のミラーまたは複数の開口のうちの少なくとも1つを備える結像光学系と、
検出器と、
を備える、干渉結像装置が提供される。
少なくとも1つのスペクトル成分を有するプローブビームの源であって、放出された前記プローブビームの軸が照射光路の軸であるように配置されたプローブビームの源と、
前記照射光路の前記軸上に配置されたビームスプリッタまたは分割ミラーと、
前記ビームスプリッタまたは前記分割ミラーが前記プローブビームの前記源と結像手段との間に配置されるように、前記照射光路の前記軸上に配置された前記結像手段と、
複数のレンズ、複数のミラーまたは複数の開口のうちの少なくとも1つを備える結像光学系であって、前記結像光学系の軸が結像光路の軸であるように配置されており、像平面および/または後焦点面を有する結像光学系と、
前記結像光路の前記軸上または前記照射光路の前記軸上に配置された、請求項1~13のいずれか一項に記載の空間光変調器と、
前記結像光路の前記軸上に配置された検出器と、
を備える。
照射光路に沿ってプローブビームを放出する工程と、
本発明による空間光変調器を通るように前記プローブビームを導く工程であって、前記空間光変調器は、前記プローブビームの少なくとも一部を前記熱光学媒質の前記層を通して透過し、かつ、
〇前記プローブビームの少なくとも一部を、少なくとも1つの前記基板、および、1もしくは複数の前記マイクロ加熱源を通して透過するか、または、
〇前記プローブビームを、少なくとも1つの前記基板上、もしくは、1もしくは複数の前記マイクロ加熱源上で少なくとも部分的に反射する工程と、
1または複数の前記マイクロ加熱源に附近の前記熱光学媒質を加熱させることで、前記熱光学媒質の屈折率に局所的変化を生じさせ、その結果、前記熱光学媒質の前記屈折率の前記局所的変化による局所的起伏(局所的しわ:local corrugation)を、前記プローブビームの波面に生じさせる工程と、
を含む。特に、矩形プロファイルの温度変化によって、矩形に近い起伏(しわ)が前記プローブビームの波面に生じ、前記プローブビームにおける熱誘起位相シフトの4分の1全幅(full-width-at-quarter-maximum:FWQM)は、温度の当該矩形プロファイルの幅の3倍よりも小さく、好ましくは2倍よりも小さい。
複数のレンズ、複数のミラーまたは複数の開口のうちの少なくとも1つを含む照射光路に沿ってプローブビームを放出する工程と、
ビームスプリッタまたは分割ミラーと、結像手段とを通して、前記物体上へと前記プローブビームを導き、反射ビームまたは透過ビームと、前記物体により散乱されたビームとを生成する工程と、
前記結像手段により、前記反射ビームまたは前記透過ビームを集める工程と、
同じ結像手段を用いて、前記物体により散乱された前記ビームを集める工程と、
集められた前記反射ビームまたは前記透過ビームと、集められた前記物体により散乱された前記ビームとに、前記空間光変調器を通過させる工程であって、前記空間光変調器は、前記プローブビームの少なくとも一部を前記熱光学媒質の前記層を通して透過し、かつ、
〇前記プローブビームの少なくとも一部を、少なくとも1つの前記基板、および、1もしくは複数の前記マイクロ加熱源を通して透過するか、または、
〇前記プローブビームを、少なくとも1つの前記基板上、もしくは、1もしくは複数の前記マイクロ加熱源上で少なくとも部分的に反射する工程と、
1または複数の前記マイクロ加熱源に附近の前記熱光学媒質を加熱させることで、前記熱光学媒質の屈折率に局所的変化を生じさせ、その結果、前記熱光学媒質の前記屈折率の前記局所的変化による局所的シフトを、前記反射ビームもしくは前記透過ビームの波面の少なくとも一部、または、前記物体により散乱された前記ビームの波面の少なくとも一部に生じさせる工程と、
前記反射ビームまたは前記透過ビームと、前記物体により散乱された前記ビームとを、前記検出器上で検出する工程と、
を含む方法が提供される。
粒子の大きさを測定する工程と、
最大寸法を有する理想球体の体積を考えることによって、球形粒子、半球形粒子、立方体形粒子および星形粒子の体積の上限推定値を計算する工程、または、形状を理想直方体とみなすことにより、測定された寸法からナノロッド形、柱形または円盤形の体積の上限推定値を計算する工程と、
を含む。
ここで、rは、ガラスカバースリップの振幅反射率、sは、散乱振幅、Δφは、散乱ビームと反射ビームとの位相差、φSLMは、空間光変調器によって反射ビームに誘起される位相シフトである。種々のナノ粒子干渉像の平均コントラスト変化を記すことにより、コントラストの正弦曲線的な変化を観察することができた(図9)。さらに、図10の上のタイミングチャートに記載した加熱変調を使用した場合、70μsの応答時間に達することができた(図10の下の図表)。結像した複数のナノ粒子の局在する位置の絶対的変化を比較することで(図11a~図11b)、反射ビームの位相をπだけシフトさせると、あらゆる方向に10nm未満だけ像が歪むことがわかった(図12a~図12c)。視野内の粒子‐粒子距離に位置変化を関連付けた場合、散乱ビームにより伝えられる像の歪みは0.5%未満であるという結論が得られた。したがって、熱レンズ効果は無視できるものと考えられる。
ここで、Lは、系の特徴的な大きさ、例えば、どのパラメータが熱の伝播を制限するのかに応じて厚さまたは加熱エリアの直径であり、ρは密度、cpは熱容量、κは熱光学媒質の熱伝導率である。この式は、図13において示されるように、構造の幾何学的形状を縮小することによって、応答時間をさらに低減できることを示している。なお、これには光学的結像の回折限界によって制限される、ナノ秒範囲の理論的限界がある。
ここで、κは、媒質の熱伝導率(W・K-1・m-1)、r(rは太字)は、熱源からのベクトル距離(m)を表す三次元ベクトル、T∞はリザーバ温度、すなわち室温であり、G(r)=1/(4πκ|r|)(rは太字)は、熱方程式のグリーン関数を表す。概念実験の証明に使用された系は、三層構造:ガラスカバースリップとサファイア窓(両者とも140μmの厚さを有する)との間に挟まれた厚さ20μmの液体グリセロール、および、ガラス/グリセロール境界面におけるマイクロ加熱源の層を備えるものであった。この場合、グリーン関数は、この三層の熱伝導率とそれらのそれぞれの厚さに依存して、より複雑な形式を有する。われわれのシミュレーションでは、以前に導出された形式を、参考文献Eng Anal Bound Elem1999;23(9):777-786から用いた。
Q(ρ)は、熱源密度(W/m2)を表す。ρおよびzは系の円筒座標、特に、ρは、熱源に平行な座標であり、zは、軸方向の座標である。シミュレーションでは、光熱素子をマイクロ加熱源として考えた。複数のマイクロ加熱源を有する表面S(m2)上にパワーP(W)の変調ビームが集束し、当該変調ビームをマイクロ加熱源(光熱素子)が受け取った。当該マイクロ加熱源は特に、吸収断面積σabs(m2)のガラス層上に均一に分布する金ナノロッドである。供給される加熱パワーの合計は下記となる。
屈折率分布Δni(ρ,z)=ni(T(ρ,z))-ni(T∞)と温度T(ρ,z)との関係は、温度変化が小さい場合、屈折率変化のテイラー級数の1次で近似できる。一般に、これは熱光学係数dn/dTと称される。加熱層を通ってz軸方向に伝播する波長λの変調ビームを考えた場合、熱誘起位相シフトφthermは、次式により与えられる。
Claims (17)
- 熱光学媒質の層であって、前記熱光学媒質は、可視光または近赤外光の少なくとも1つのスペクトル成分に対して少なくとも部分的に透明であり、かつ、20℃の温度で0.01W・K-1・m-1~30W・K-1・m-1の熱伝導率を有し、前記層は、100μmを上限とする厚さを有する熱光学媒質の層と、
前記熱光学媒質の前記層と熱接触状態にある少なくとも1つのマイクロ加熱源であって、各マイクロ加熱源が10μmより小さい少なくとも1つの寸法を有するマイクロ加熱源と、
前記熱光学媒質と熱接触状態にある少なくとも1つの基板であって、前記熱光学媒質の熱光学係数よりも少なくとも10倍小さい熱光学係数と、少なくとも1W・K-1・m-1の熱伝導率とを有し、前記基板の前記熱伝導率は、前記熱光学媒質の前記熱伝導率よりも高い基板と、
を備える、空間光変調器。 - 前記熱光学媒質の前記層の前記厚さは、100μmを上限としている、請求項1に記載の空間光変調器。
- 前記熱光学媒質の前記層の前記厚さは、1μm~20μmの範囲内にある、請求項1に記載の空間光変調器。
- 前記熱光学媒質は、20℃において、可視光に対して8×10-5K-1以上の熱光学係数を有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の空間光変調器。
- 前記マイクロ加熱源は、前記熱光学媒質の前記層と熱接触状態にある複数の光熱素子であり、
前記複数の光熱素子は、10μmより小さい少なくとも1つの寸法を有する、
請求項1~4のいずれか一項に記載の空間光変調器。 - 前記複数の光熱素子により吸収することのできる少なくとも1つのスペクトル成分を放出するための1または複数の光源と、
前記1または複数の光源と前記複数の光熱素子との間に配置された少なくとも1つの導光手段を備える光学系と、
をさらに備える、請求項5に記載の空間光変調器。 - 前記複数の光熱素子は、前記基板と前記熱光学媒質との境界面上に位置し、かつ/または、前記熱光学媒質中に分散し、かつ/または、前記熱光学媒質の所定領域内に位置する、請求項5または6に記載の空間光変調器。
- 各ナノ粒子光熱素子は、0.1nm3~1μm3の体積を有する、請求項5~7のいずれか一項に記載の空間光変調器。
- 前記複数の光熱素子は、実質的に、球形、半球形、棒形、立方体形、星形、柱形、もしくは円盤形の形状を有するか、もしくは、かかる形状を有する複数の光熱素子の混合物であるか、
または、前記複数の光熱素子は、複数のコロイド粒子の形態であり、前記複数のコロイド粒子の最大寸法は、1μmを上限としており、好ましくは100nmより小さい、
請求項5~8のいずれか一項に記載の空間光変調器。 - 前記複数の光熱素子は、補助材料の層中に懸濁または分散し、
その結果、前記基板と前記熱光学媒質との境界面上に位置し、かつ/または、前記熱光学媒質の所定領域内に位置する層が形成されており、
前記補助材料は、好ましくは、SF型ガラス、サファイア、エポキシ樹脂、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリ(エチルメタクリレート)、tert‐ブチルポリ(エーテル‐エーテルケトン)、ポリジメチルシロキサン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、シリコーン、ポリカーボネートおよびウレタンアクリレートエラストマー等の固体材料から選択されたものであるか、または、油、水、グリセロール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、オクタノール、ドデカノール等の液体材料から選択されたものである、請求項5~9のいずれか一項に記載の空間光変調器。 - 前記複数の光熱素子は、前記基板に取り付けられた連続または不連続の層を形成しており、
前記層は、好ましくは、ナノ構造および/またはナノパターンを有し、
かかる層の最大厚さは、10μmであり、好ましくは100nmである、請求項5~9のいずれか一項に記載の空間光変調器。 - 前記マイクロ加熱源は、電流により加熱されるように構成された複数の電熱素子であり、かつ、前記熱光学媒質の前記層と熱接触状態にあり、
前記複数の電熱素子は、10μmより小さい少なくとも1つの寸法と、少なくとも100S/mの導電率とを有する、請求項1~4のいずれか一項に記載の空間光変調器。 - 2つの基板を備え、
前記2つの基板は、前記熱光学媒質の互いに反対の側に位置する、請求項1~12のいずれか一項に記載の空間光変調器。 - 少なくとも1つのスペクトル成分を有するプローブビームの源であって、放出された前記プローブビームの軸が照射光路の軸に対応するように配置されたプローブビームの源と、
前記照射光路の前記軸上に配置されたビームスプリッタまたは分割ミラーと、
前記ビームスプリッタまたは前記分割ミラーが前記プローブビームの前記源と結像手段との間に配置されるように、前記照射光路の前記軸上に配置された前記結像手段と、
複数のレンズ、複数のミラーまたは複数の開口のうちの少なくとも1つを備える結像光学系であって、前記結像光学系の軸が結像光路の軸であるように配置されており、像平面および/または後焦点面を有する結像光学系と、
前記結像光路の前記軸上または前記照射光路の前記軸上に配置された、請求項1~13のいずれか一項に記載の空間光変調器と、
前記結像光路の前記軸上に配置された検出器と、
を備える、干渉結像装置。 - 前記空間光変調器の、前記基板、前記熱光学媒質、および、1または複数の前記マイクロ加熱源は、前記結像手段と前記検出器との間に配置されており、
前記結像光学系の前記像平面または前記後焦点面の位置は、前記空間光変調器の位置と一致する、請求項14に記載の干渉結像装置。 - 請求項1~13のいずれか一項に記載の空間光変調器を用いて、光のプローブビームを空間位相変調する方法であって、
照射光路に沿ってプローブビームを放出する工程と、
請求項1~10のいずれか一項に記載の空間光変調器を通るように前記プローブビームを導く工程であって、前記空間光変調器は、前記プローブビームの少なくとも一部を前記熱光学媒質の前記層を通して透過し、かつ、
〇前記プローブビームの少なくとも一部を、少なくとも1つの前記基板、および、1もしくは複数の前記マイクロ加熱源を通して透過するか、または、
〇前記プローブビームを、少なくとも1つの前記基板上、もしくは、1もしくは複数の前記マイクロ加熱源上で少なくとも部分的に反射する工程と、
1または複数の前記マイクロ加熱源に附近の前記熱光学媒質を加熱させることで、前記熱光学媒質の屈折率に局所的変化を生じさせ、その結果、前記熱光学媒質の前記屈折率の前記局所的変化による局所的シフトを、前記プローブビームの波面に生じさせる工程と、
を含む、方法。 - 請求項1~13のいずれか一項に記載の空間光変調器、および/もしくは、請求項14または15に記載の干渉結像装置を用いる、プローブビームの位相が調節可能な物体の干渉結像の方法であって、
複数のレンズ、複数のミラーまたは複数の開口のうちの少なくとも1つを含む照射光路に沿ってプローブビームを放出する工程と、
前記ビームスプリッタまたは前記分割ミラーと、前記結像手段とを通して、前記物体上へと前記プローブビームを導き、反射ビームまたは透過ビームと、前記物体により散乱されたビームとを生成する工程と、
前記結像手段により、前記反射ビームまたは前記透過ビームを集める工程と、
同じ結像手段を用いて、前記物体により散乱された前記ビームを集める工程と、
集められた前記反射ビームまたは前記透過ビームと、集められた前記物体により散乱された前記ビームとに、請求項1~13のいずれか一項に記載の空間光変調器を通過させる工程であって、前記空間光変調器は、前記プローブビームの少なくとも一部を前記熱光学媒質の前記層を通して透過し、かつ、
〇前記プローブビームの少なくとも一部を、少なくとも1つの前記基板、および、1もしくは複数の前記マイクロ加熱源を通して透過するか、または、
〇前記プローブビームを、少なくとも1つの前記基板上、もしくは、1もしくは複数の前記マイクロ加熱源上で少なくとも部分的に反射する工程と、
1または複数の前記マイクロ加熱源に附近の前記熱光学媒質を加熱させることで、前記熱光学媒質の屈折率に局所的変化を生じさせ、その結果、前記熱光学媒質の前記屈折率の前記局所的変化による局所的シフトを、前記反射ビームもしくは前記透過ビームの波面の少なくとも一部、または、前記物体により散乱された前記ビームの波面の少なくとも一部に生じさせる工程と、
前記反射ビームまたは前記透過ビームと、前記物体により散乱された前記ビームとを、前記検出器上で検出する工程と、
を含む、方法。
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