工繊大,10兆分の1秒画像の撮影時間を倍に

京都工芸繊維大学は,約10兆分の1秒の世界をスローモーションで観察できる超高速動画像の撮影時間を倍増することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

研究グループは,光の3次元情報を記録・再生できるディジタルホログラフィーと超短パルスレーザーを組み合わせて,光パルスの伝播をスローモーション動画で記録・観察できる技術に関する研究を行なってきた。

しかしながら,この技術による光が伝播する様子の動画像の撮影時間は,ディジタルホログラムの記録に用いる撮像素子の横の長さにより制限されており,これまでその動画像の撮影時間を延長する方法は未報告だった。

従来技術では,1台の撮像素子を用いて,光が伝播する情報を1枚のディジタルホログラムに記録し,動画像として再生することで観察していた。この記録したディジタルホログラムのサイズが光伝播を観察できる動画像の撮影時間に直結するため,その撮影時間は撮像素子の横の長さに制限されていた。

研究で提案した技術は,超短光パルスの伝播の様子のスローモーション動画像の撮影時間を倍増させることができる。従来法では,1台の撮像素子に1枚のディジタルホログラムを記録していたのに対し,提案法では,撮像素子の面積を効率的に利用するための新たな光学システムを開発し,1台の撮像素子に複数枚のディジタルホログラムの記録を可能にした。

これにより,従来法の制限を克服し,動画像の撮影時間を延長することに成功した。提案法では,1枚目に記録された光が伝播する続きの情報を2枚目のディジタルホログラムに記録するため,従来法で得られる動画像の続きの動画像を取得でき,光伝播のより長時間の観察ができるという。

研究では,2枚のディジタルホログラムを記録するために必要な2つの参照光を生成するための光学システムを従来の光学システムに導入する。さらに,撮像素子面の前に,隣り合う画素毎に異なる光の振動方向である偏光を検出する微小偏光子アレイを配置した撮像素子を用いることで,複数枚のディジタルホログラムを記録する。

原理確認実験として,拡散テープを張り付けた定規上を伝播する超短光パルスを観察し,定規の目盛りの変化から,より長時間の超短光パルスの伝播の様子の観察に成功し,スローモーション動画像の撮影時間を倍増できたことを定量的に確認した。

この技術による超高速現象の動画像観察により,例えば,レーザー加工時に繰り広げられる超高速現象のメカニズムの解明の強力なツールとなり,微細加工の超高精度化への貢献が期待できるとしている。

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