Development of meta-surface beam forming optical element for uniform distribution of irradiation light at multiple points
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22K04894
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
池沢 聡 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (00571613)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩見 健太郎 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80514710)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | メタサーフェス / ナノテクノロジー / 新機能光学素子 / 構造化照明技術 / 分光分析 / ホログラフィ / レーザー誘起プラズマ / マイクロ・ナノ科学 |
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| Outline of Research at the Start |
従来の分光分析では高感度化・微量試料対応の光学系の小型低背化は光学系設置スペースの制約から困難であった．本研究ではこの問題に対し，メタサーフェス光学素子により解決を目指す．本研究は，申請者が独自に開発したメタレンズ・ホログラム演算合成手法を応用して，ビーム強度補正・任意形状平面分配・集光の３機能が融合した，新しい光学素子の製作と分光計測への適用有効性を立証する．この新規光学素子は，レンズ設計手法とホログラムの設計法を融合した新しい設計法で製作され，任意形状の多点ビーム分配を可能とするメタサーフェス光学素子を分光分析に適用する．本研究成果により，奥行きを必要としない微量分光分析装置が実現する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，多点への均一強度ビーム分配機能，任意形状平面照射機能，分光計測用集光機能を素子１枚に融合した，小型低背化分光装置のためのメタサーフェス光学素子を開発することを目的として，メタレンズ設計手法とメタサーフェスホログラム設計手法を融合した新規設計法の適用有効性を調査する．
2022年度前半は，目的とする分光計測に使用する光源の特性(波長・強度分布)の取得・ビーム分配先の形状/個数・動作波長の候補及び基板材料の選定を行い，動作波長・基板材質に応じた誘電体ナノ柱の電磁場解析を実行し，誘電体ナノ柱の条件(柱幅適用範囲・高さ・柱間距離)を定めることを実施項目に掲げ，波長1064nmの近赤外レーザ光に対し，伝搬軸外の4点にビームを分離し，さらにビーム分配先を集光させるメタサーフェス光学素子を設計した．設計では多点構造化機能を実現するためのデザインとして３種の光学素子を考案した．誘電体ナノ柱の材料には窒化シリコン，アモルファスシリコン，単結晶シリコンなどを想定し，電磁場解析を実施した結果，回折効率が高く，透過性が高くレーザ耐性が見込まれる単結晶シリコンを選定し，誘電体ナノ柱の高さ，幅，柱間距離の最適化を行い，メタサーフェスの構造単位となるメタ原子の構造と配列を決定した．
2022年度後半からはこれまで実績のある電子線リソグラフィと反応性イオンエッチングにより製作を行い，2022年度末までに電子顕微鏡で製作寸法の計測を行うとともに近赤外ビーム解析装置でビーム多点分配特性を観察することを研究実施計画とした．本実施計画に従い，一つのチップ上に考案した３つのタイプのメタサーフェス光学素子を電子線描画装置と反応性イオンエッチング装置により製作した．製作した３種のメタサーフェス光学素子の光学測定を実施した結果，すべての光学素子が４点に分配され，設計した焦点に集光することを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までに，設計したメタサーフェス多点分配集光素子の光学測定の結果では，ほぼ設計通りの性能を得ることに成功した．しかし一方でメタアトム構造単位を電子顕微鏡で観察した際に構造寸法のばらつきや，ナノ柱の形状がいびつであることを確認した．これらは光学素子の光学的設計仕様への影響は小さいものの，光の利用効率や光学素子のレーザ耐性などの面において性能低下が懸念される．
メタアトム構造単位が局所的に構造的欠損すると，入射光が回折（偏向）せずに直進するため，素子を直進した光（０次回折光）が増大し，光利用効率が低下する．ナノ柱の垂直性が得られない原因には深堀反応性イオンエッチングの工程で金属マスクのサイドエッチングが進み，柱が円錐状になることや，荷電粒子により基板底面の絶縁膜が帯電し後から侵入する荷電粒子が基板底面到達後に方向を柱側壁に変えエッチングが底面からエッチングが進み柱の根本に切り込み（ノッチング形状）ができること，柱の上面の金属性のマスク材が帯電し，荷電粒子の進路が側壁側に緩やかに誘導され柱がサイドからエッチングされコンケイブ形状（ボーイング形状）になるなどが考えられる．
これらの問題を解決するために，製作上の課題を明確化し，深堀反応性イオンエッチングの工程で装置に導入するガス種の選択や，プラズマを形成するアンテナパワー，基板間電位差を形成するバイアスパワーの最適化を行い，製作精度の向上を目指したい．
以上の製作上の課題は残されているものの，光学測定で多点分配集光メタサーフェスの試作に成功したことにより，当初の計画通り分光計測装置への実装へ向けたステップに移行可能な状況にあり，研究はおおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
多点ビーム分配機能の集光機能を融合したメタサーフェス光学素子の試作に成功したことにより，本研究課題の今後の推進方策は当初の予定に従い分光計測への応用に向けた光学レイアウトの設計を実施する．メタサーフェス光学素子を実装する分光計測装置はレーザ誘起ブレークダウン分光装置であり，高強度レーザの多点プラズマ生成の確認を第一段階の達成目標とし，次に化学分析用の元素サンプルを使用し原子スペクトルを取得することを第二段階の達成目標とする．第一目標ではプラズマの生成に高い集光性能が要求されるため，光学素子の製作精度を向上し光利用効率を向上する．また分配された集光点の個数と必要な集光エネルギー密度の関係性を解析し，課題を明確化する．
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Report
(1 results)
Research Products
(10 results)
