超高速広角レーザースキャナーに向けた新電気光学結晶の研究

• Project/Area Number: 21K04714
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Kyoto University of Advanced Science
• Principal Investigator: 今井 欽之 京都先端科学大学, 工学部, 教授 (70566695)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: KTN / 電気光学効果 / 誘電特性 / 屈折率変化 / 蓄積電荷計測 / 光スキャナー

Outline of Research at the Start

レーザー加工にも用いられる光スキャナーはガルバノミラーなど機械式が主流であったが、近年、電気光学結晶 (電界で屈折率が変化する結晶)を用いた新型スキャナーが開発された。可動部がなく圧倒的に高速だが、解像点数の低さが問題であった。本研究は、材料であるKTN結晶の屈折率変化量を現状の0.001台から0.01まで改善し、これによってこの問題の解決を図る。このため、相転移の発生する温度領域の付近で起こる非線形な電気特性を活用する。これにより、3Dプリンタを含むレーザー加工・造形に質的な変化をもたらす。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、レーザー加工にも用いられる光スキャナを革新的に高性能化するための結晶材料を開発する。近年、KTa1-xNbxO3 (KTN)という酸化物の結晶において印加した電界によって屈折率が変化する現象(電気光学効果)を利用し、従来の機械式スキャナよりも圧倒的に高速にスキャニング(偏向、光線の向きを変えること)ができる新型の光偏光器が開発された。しかし高速性の一方では、偏向の角度は10度程度以下であり、これがこの光偏光器の用途を限定していた。偏向角度といった特性は、もちろんデバイスの設計によって改善していくものである。しかしその設計理論では、材料であるKTNで実現できる最大の屈折率変化量Δnによってこの特性が限定されることが分かっている。この研究では、この光偏光器の偏向角度の一桁改善のため、KTNのΔnを一桁改善することを目的としている。
KTNのΔnを改善するためには分極の増大が必要であり、これは誘電特性を改善することと言い換えることができる。KTNは温度の変化とともに誘電率が大きく変化するが、同様に高い電界を印加したときにも誘電率が大きく変化する。この変化を網羅的に測定するため、前年度までに試料蓄積電荷計測系を立ち上げた。当該年度は、この誘電率変化特性がKTN結晶のリチウムの添加量の違いによってどのように変化すかを検討することとし、このような結晶試料の準備から始めた。誘電特性検討のための試料においては、結晶に含まれる不純物ともに、結晶と電極との界面の状態を最大限に管理することが必要である。目的とする組成では、結晶成長が不安定となって大型高品質の単結晶を得るのが一般的なKTN結晶よりも難しく、想定よりも時間がかかったものの、最終的には目的の結晶を得ることには成功した。予定よりも遅れが発生したが、現在、得られた結晶の誘電特性の測定を進めている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

「研究実績の概要」にも述べたように、当該年度はリチウム添加量の異なるいくつかのKTN結晶試料を準備することから始めたが、これに当初の想定よりも長い時間を要した。本研究では高電界あるいは高電圧の印加時のKTNにて誘電特性を検討する。KTNは誘電体であって絶縁体であるとされるが、このような高い電圧を印加した場合、電極から電子やホール（キャリア）が注入されて電流が流れる。この電流は、絶縁体であると仮定して行う誘電特性の測定時には非常に大きな誤差原因となる。さらに注入された電子の一部はKTN結晶の内部にとどまって空間電荷を形成し、ひいては結晶中の電界を変化させるため、これも正確な物性の測定に多大な悪影響を与える。こうしたキャリア注入を遮断するためには、結晶に含まれる不純物ともに、結晶と電極との界面の状態を最大限に管理することが必要である。今回、現在得られる現実的範囲で最高の純度の4Nの原料を用い、また、リチウムの添加量の少ない結晶を求めたが、こういう組成では結晶成長が不安定となるのが問題で、大型高品質の単結晶を得ることが容易ではない。結晶試料の購入先はKTN結晶に関する世界最高の技術を有するものの、今回の結晶試料の準備には当初想定したよりも多少時間がかかり、やや遅れ気味である。しかし、最終的には目的の結晶を得ることに成功、現在、得られた結晶の誘電特性の測定を進めている。

Strategy for Future Research Activity

本研究の1年目に試料蓄積電荷計測系の立ち上げか完了しており、2年目である当該年度にはリチウムの添加量の異なるKTN結晶試料を得るための準備も整い、いくつかはすでに取得済みである。また、新たに別途ヒューマンリソースが得られたため、これを活用して並行して屈折率測定系を構築中である。このため、今後は研究の加速が期待できる。当該年度ではやや進みに遅れが生じたものの、この遅れを十分にカバーし、リチウム添加量の異なるKTN結晶試料での誘電特性の検討と屈折率増大の検討を並行して進める。