高度液晶光配向技術を用いた三次元異方性フォトニック光学素子の形成

• Project/Area Number: 15J07254
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 河合 孝太郎 長岡技術科学大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥3,070,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 液晶回折格子 / 回折光学素子 / 液晶材料 / 機能性高分子材料 / 偏光

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、光波伝搬の更なる高度制御が可能な異方性回折光学素子の創成、ならびに電圧印加によって回折光学特性を高速に制御可能な素子の形成を目指し、回折角及び波長・偏光分離特性が電圧印加により動的に制御可能な新奇な液晶回折格子（以下、4値液晶回折格子）を創成した。4値液晶回折格子は、それぞれ配向方向が異なる0° Planar配向及び90° TN配向の4種の液晶配向構造が周期的に混在した構造を有する。形成にあたり、従来から開発を進めてきたガルバノ光学系を用いた偏光紫外レーザー描画による光配向を採用した。
本素子ではまず、光波が回折する回折次数を印加電圧によって制御可能である。本特性は、0次回折、2次回折のペアと1次回折における回折効率の位相差に対する依存性が逆相関係となっていることを利用して実現される。また、液晶セルへの電圧印加によって液晶分子の厚さ方向へのチルトを誘起することで、実効的な屈折率を制御可能であるため、光波が回折する回折次数を印加電圧によって選択できる。さらに、同時に入射された2つの異なる波長の光波を異なる回折次数に分離して回折させることも可能である。これらの特性に加えて、入射された光波を互いに直交条件にある直線偏光及び円偏光に分離回折可能であることも見出している。また、偏光分離特性に関しても、電圧印加により動的に制御可能である。
上記の特性は、実験による回折特性測定のみならず、Jones法を用いた偏光伝搬解析により理論的にも実証している。以上の結果から、本素子は、既存の光学素子を凌駕する複数の機能を有しており、産業における光学システムの高度化、小型化、コスト削減に大きく貢献できる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Tunable dichroic polarization beam splitter created by one-step holographic photoalignment using four-beam polarization interferometry (2017)
  • Author(s): K. Kawai, M. Sakamoto, K. Noda, T. Sasaki, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 121 Issue: 1 Pages: 013102-013102
  • DOI: 10.1063/1.4972981
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Arbitrary patterned anisotropic diffractive optical elements using Galvanometer polarization drawing method: Application in fabricating polarization dependent liquid-crystal Fresnel lens cell (2017)
  • Author(s): K. Noda, J. Matsubara, K. Kawai, M. Sakamoto, T. Sasaki, N. Kawatsuki and H. Ono
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 56 Issue: 5 Pages: 1302-1309
  • DOI: 10.1364/ao.56.001302
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polarization grating fabricated by recording a vector hologram between two orthogonally polarized vector vortex beams (2017)
  • Author(s): M. Sakamokto, Y. Nakamoto, K. Kawai, K. Noda, T. Sasaki, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Journal Title: Journal of Optical Society of America B Volume: 34 Issue: 2 Pages: 263-268
  • DOI: 10.1364/josab.34.000263
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design and fabrication of a tunable wavelength-selective polarization grating (2016)
  • Author(s): K. Kawai, M. Sakamoto, K. Noda, T. Sasaki, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 55 Issue: 23 Pages: 6269-6274
  • DOI: 10.1364/ao.55.006269
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thermally controllable chiral nematic vector gratings with holographically patterned photoalignment films (2016)
  • Author(s): T. Sasaki, R. Simura, K. Kawai, M. Sakamokto, K. Noda, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Journal Title: Applied Physics B Volume: 122 Issue: 11 Pages: 276-276
  • DOI: 10.1007/s00340-016-6550-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensionally modulated anisotropic structure for diffractive optical elements created by one-step three-beam polarization holographic photoalignment (2016)
  • Author(s): K. Kawai, M. Sakamoto, K. Noda, T. Sasaki, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 119 Issue: 12 Pages: 123102-123102
  • DOI: 10.1063/1.4944810
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Alignment structures and diffraction properties of chiral nematic liquid crystal cells with periodically patterned photoalignment films (2016)
  • Author(s): T. Sasaki, R. Shimura, K. Kawai, K. Noda, M. Sakamoto, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 55 Issue: 1 Pages: 012001-012001
  • DOI: 10.7567/jjap.55.012001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Diffraction properties of a vector grating liquid crystal cell fabricated using a one-step exposure of a nonorthogonal elliptically polarized interference beam (2015)
  • Author(s): K. Kawai, T. Sasaki, M. Sakamoto, K. Noda, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Journal Title: Journal of the Optical Society of America B Volume: 32 Issue: 12 Pages: 2435-2440
  • DOI: 10.1364/josab.32.002435
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Holographic binary grating liquid crystal cells fabricated by one-step exposure of photocrosslinkable polymer liquid crystalline alignment substrates to polarization interference ultraviolet beam (2015)
  • Author(s): K. Kawai, T. Sasaki, K. Noda, M. Sakamoto, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 54 Issue: 19 Pages: 6010-6018
  • DOI: 10.1364/ao.54.006010
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ４光束偏光干渉光配向による可変式波長偏光ビームスプリッターの創成 (2017)
  • Author(s): 河合孝太郎、坂本盛嗣、野田浩平、佐々木友之、川月喜弘、小野浩司
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Liquid crystal gratings for advanced control of polarized light propagation fabricated by one-step multiple beam holographic photoalignment (2017)
  • Author(s): K. Kawai, M. Sakamoto, K. Noda, T. Sasaki, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Organizer: SPIE Photonics West 2017
  • Place of Presentation: Moscone Center (San Francisco, USA)
  • Year and Date: 2017-01-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Propagation Control of Polarized Light with Multiple Wavelength by Liquid Crystal Based Diffractive Optical Elements (2017)
  • Author(s): K. Kawai, M. Sakamoto, K. Noda, T. Sasaki, N. Kawatsuki, H. Ono
  • Organizer: The 24th Congress of the International Commission for Optics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 波長・偏光分離機能を有する４値液晶回折格子の形成 (2017)
  • Author(s): 河合孝太郎、坂本盛嗣、野田浩平、佐々木友之、川月喜弘、小野浩司
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ４値液晶回折格子による回折角及び波長・偏光分離特性の動的制御 (2017)
  • Author(s): 河合孝太郎、坂本盛嗣、野田浩平、佐々木友之、川月喜弘、小野浩司
  • Organizer: 電子部品・材料研究会
• [Presentation] 強い波長選択性を有する捩れ配向液晶回折格子 (2016)
  • Author(s): 河合孝太郎、坂本盛嗣、野田浩平、佐々木友之、川月喜弘、小野浩司
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] ３光束偏光干渉露光法による3次元液晶配向構造を有する回折光学素子の形成 (2015)
  • Author(s): 河合孝太郎、佐々木友之、坂本盛嗣、野田浩平、川月喜弘、小野浩司
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2015
  • Place of Presentation: 筑波大学東京キャンパス文京校舎（東京都文京区）
  • Year and Date: 2015-10-28
• [Presentation] Vector grating liquid crystal cells with TN and homogeneous alignment fabricated by one-step exposure of photocrosslinkable polymer liquid crystal films to non-orthogonal elliptical interference beam (2015)
  • Author(s): K. Kawai, T. Sasaki, K. Noda, N. Kawatsuki and H. Ono
  • Organizer: The 5th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO 2015)
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2015-06-16
  • Int'l Joint Research
• [Book] One-Step Holographic Photoalignment for Twisted Nematic Liquid Crystal Grating（分担執筆, chapter 16） (2017)
  • Author(s): K. Kawai, M. Sakamkoto, K. Noda, T. Sasaki, N. Kawatsuki, and H. Ono
  • Publisher: INTECH