Development of Vacuum Ultraviolet Coherent Light Source Technology Using Dielectric Nanomembrane Artificial Nanotructures

• Project/Area Number: 21H04660
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小西 邦昭 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (60543072)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三田 吉郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40323472)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000); Fiscal Year 2024: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2023: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000); Fiscal Year 2022: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000); Fiscal Year 2021: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000)
• Keywords: フォトニック結晶 / 非線形光学 / 真空紫外光 / メタマテリアル / メンブレン

Outline of Research at the Start

波長200nm以下の光である真空紫外コヒーレント光を用いた分光法は、固体中の電子のバンド構造の直接観測や、生体分子の構造計測など物理、化学、生命科学の広い分野で重要な応用を有している。本研究では、代表者らが近年発見した誘電体ナノメンブレン人工構造を用いた真空紫外波長変換の手法を活用し、新たな真空紫外光源技術として確立することを目指す。分光用光源として使用可能な強度、波長、偏光での真空紫外コヒーレント光発生を実現し、新たな真空紫外分光法への開発とつなげていく。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、母材のマテリアルのバンドギャップをさらに高エネルギー化することによって、真空紫外直線偏光THGの短波長化を目指したフッ化物薄膜ナノメンブレンを開発するため、水を使用しないメンブレン化のプロセス開発を進めた。その結果、フッ化酸化物をメンブレン化するためのプロセス手法を確立することに成功した。さらに、真空チャンバー中で真空紫外第三次高調波発生の観測実験を進め、150nm以下の真空紫外領域における第三次高調波発生が所持ていることを確認することに成功した。
また、SiO2ナノメンブレンからの真空紫外光発生の高強度化を行うために、メンブレン表面上でのビームスポットサイズを拡大させたのちに励起用の可視光超短パルスレーザーのパワーを増大させる実験を行ったところ、励起光の平均パワーを１W以上にまで上昇させてもメンブレンは破壊されないことを明らかにした。
加えて、可視光領域の新たな誘電体ナノメンブレン材料として窒化シリコン膜に着目し、窒化シリコン膜に対して、サブミクロンオーダーの穴形状を有するフォトニック結晶ナノメンブレンを作製する手法を確立することに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度までの段階で、本研究プロジェクトの大きな目標であったSiO2フォトニック結晶ナノメンブレンおよびフッ化物ナノメンブレンの作製手法を確立することに成功した。また、それらの材料を用いて、発生する真空紫外第三次高調波の強度の増大および短波長化も可能であることも確認できた。
もう一つの目標であった真空紫外スペクトル計測システムの構築については前倒しで計画を進めていたため、最終年度で目的とする実験を総合的に行うことが可能な段階に到達している。

Strategy for Future Research Activity

今後は、作製プロセスを確立したSiO2フォトニック結晶ナノメンブレンからの高強度化真空紫外光の発生と、フッ化物ナノメンブレンからの短波長真空紫外光第三次高調波発生についての実験データの取得を進めていく。さらに、真空紫外円二色性計測システムにこれらのナノメンブレンを導入することによって、目的であった真空紫外円二色性計測を実現する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 深セン技術大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 国立陽明交通大学(台湾)
• [Journal Article] 非線形メタマテリアルを用いた円偏光の生成と制御 (2023)
  • Author(s): 小西邦昭
  • Journal Title: 光学 Volume: 52 Pages: 186-191
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 誘電体ナノメンブレンを用いた真空紫外コヒーレント光発生と円偏光制御 (2021)
  • Author(s): 小西邦昭、五神真
  • Journal Title: 光アライアンス Volume: 32 Pages: 44-48
  • NAID: 40022728676
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Generation and polarization control of coherent vacuum ultraviolet light using the nonlinear optical response of dielectric membrane metasurface (2024)
  • Author(s): Kuniaki Konishi
  • Organizer: 2024 Annual Meeting of the Physical Society of Taiwan (2024/1/24, National Central University, Taoyuan, Taiwan)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Vacuum Ultraviolet Light Generation and Circular Polarization Control Using Dielectric Nanomembranes (2023)
  • Author(s): Kuniaki Konishi
  • Organizer: The 13th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 誘電体ナノメンブレンを用いた真空紫外コヒーレント光発生と円偏光制御技術の開拓 (2023)
  • Author(s): 小西 邦昭
  • Organizer: 日本分光学会 紫外フロンティア分光部会 第５回講演会『紫外光研究のフロンティア』
  • Invited
• [Presentation] Photonic crystal nanomembranes: a new tool for wavelength conversion and polarization control in the vacuum ultraviolet region (2022)
  • Author(s): Kuniaki Konishi
  • Organizer: SPIE Optics + Photonics 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Metamaterials for controlling and generating circular polarization (2022)
  • Author(s): Kuniaki Konishi, Makoto Kuwata-Gonokami
  • Organizer: EPS symposium on the third generation metamaterials (METAMATERIALS 3.1)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] CIRCULARLY POLARIZED VACUUM ULTRAVIOLET COHERENT LIGHT GENERATION USING A SQUARE LATTICE PHOTONIC CRYSTAL NANOMEMBRANE (2021)
  • Author(s): Kuniaki Konishi, Daisuke Akai, Yoshio Mita, Makoto Ishida, Junji Yumoto, Makoto Kuwata-Gonokami
  • Organizer: The 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS 2021)
  • Int'l Joint Research