超短パルス光干渉加工法を用いた新しいメタマテリアルの開発

• Project Area: Electromagnetic Metamaterials
• Project/Area Number: 23109509
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中田 芳樹 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 准教授 (70291523)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2012: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2011: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: メタマテリアル / レーザープロセッシング / 応用光学・量子光光学 / ナノ材料 / 空間光変調器(SLM) / 干渉 / 周期構造 / 金属 / 応用光学・量子光工学 / テラヘルツ

Outline of Annual Research Achievements

①加工形状のトップフラット化及び空間光変調器を導入したフェムト秒レーザー干渉加工装置の構成：光路に特注グラディエントフィルターを挿入し、ビーム形状のトップフラット化及び加工形状の均一化を行った。これを高効率DOEで4本の一次回折ビームに分離し、さらに空間光変調器を挿入することでビーム間の位相差を変調する装置を構築した。また、ターゲットホルダに3次元高速駆動ステージを導入した。これらにより、マルチショットによる大面積加工が可能になった。シングルショット当たりの加工面積は約6700μm2であり、1kHzでは6.7mm2/s相当となり、目標を達成した。
②干渉理論解析による干渉パターン構造のサーベイ：4光束及び6光束干渉ビーム間の位相・強度変調による干渉パターンの変化をサーベイし、データベースを作成した。これは電磁メタマテリアルを作製する際のデザイン選定に用いられる。
③電磁メタマテリアルの試作：厚さ50nmのAu薄膜上に周期1.7μmのMHA構造を作製し、近紫外から近赤外における透過スペクトルを評価した。また、10mm四方に渡る周期ナノドロップ構造（スポット数～一千万）をマルチショットで加工した。他に、ナノウィスカーやデザイン周期紋様構造を作製した。
④第2高調波(SHG)干渉加工装置の開発：BBO非線形結晶でフェムト秒レーザーのSHGを発生させ、紫外用DOEと組みあわせて干渉加工装置を構成した。これは、短波長における高い吸収率によるエネルギー利用効率の向上、及び短周期化を目指す予備実験として行った。本装置を用いたAuナノバンプ周期構造の作製に成功し、有効性を確認した。またシミュレーションでは830nmまで短周期化が可能で有ることが示された。
⑤電磁メタマテリアルのFDTD解析：周期ナノウィスカー構造のCADモデルを作製し、頂点で電界集中が起きる様子がFDTD解析上で確認された。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Organized metamaterials comprised of gold nanoneedles in a lattice generated on silicon (100) wafer substrates by interfering femtosecond laser processing (2013)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga, Takuya Hiromoto, Kunio Tsuchida
  • Journal Title: Phys. A Volume: Vol.112 Issue: 1 Pages: 173-177
  • DOI: 10.1007/s00339-012-7236-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of interference pattern in ultra-short pulse laser processing (2013)
  • Author(s): oshiki Nakata, Keiichi Murakawa, Kenji Sonoda, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga, Takuya Hiromoto
  • Journal Title: Appl. Phys. A Volume: Vol.112 Issue: 1 Pages: 191-196
  • DOI: 10.1007/s00339-012-7239-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth of periodic ZnO nano-crystals on buffer layer patterned by interference laser irradiation (2013)
  • Author(s): Daisuke Nakamura, Tetsuya Shimogaki, Kota Okazaki, Mitsuhiro Higashihata, Yoshiki Nakata, Tatsuo Okada
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: Vol.8607 Pages: 860703-860703
  • DOI: 10.1117/12.2002961
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of interference pattern using coherent beams configured as a six-sided pyramid (2012)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Keiichi Murakawa, Kenji Sonoda, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga
  • Journal Title: Appl. Opt. Volume: Vol.51 Issue: 21 Pages: 5004-5010
  • DOI: 10.1364/ao.51.005004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interfering ultraviolet femtosecond laser processing of gold thin film and prospect of shortest period (2012)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Keiichi Murakawa, Noriaki Miyanaga, Kazuma Momoo
  • Journal Title: APEX Volume: Vol.5 Issue: 10 Pages: 102703-102703
  • DOI: 10.1143/apex.5.102703
  • NAID: 10031117554
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solid-liquid-solid process for forming free-standing gold nanowhisker superlattice by interfering femtosecond laser irradiation (2012)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Noriaki Miyanaga, Kazuma Momoo, Takuya Hiromoto
  • Journal Title: Appl. Surf. Sci. Volume: Vol.274 Pages: 27-32
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.02.042
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metamaterials fabricated by interfering femtosecond laser processing with different combinations of laser and target parameters (2012)
  • Author(s): Yoshiki Nakata
  • Journal Title: Proc. Laser Precision Microfabrication (LPM) 2012 Volume: 1 Pages: 199-199
• [Journal Article] Generation of new nanostructures in designed matrix by interfering femtosecond laser processing (2012)
  • Author(s): Kazuma Momoo, Yoshiki Nakata, Noriaki Miyanaga
  • Journal Title: Proc.SPIE 8243 Volume: 5243 Pages: 82431E-82431E
  • DOI: 10.1117/12.909819
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generation of sharp and periodic structure by interfering femtosecond laser processing (2011)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga, Takuya Hiromoto
  • Journal Title: Proc.LPM2011 Volume: 1 Pages: 170-170
• [Journal Article] Simulation and experimental results of periodic surface nano-texturing by interfering femtosecond laser (2011)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga, Takuya Hiromoto
  • Journal Title: Proc.ALT'19 Volume: 1 Pages: 64-64
• [Presentation] Designing of meta-atoms in interfering femtosecond laser processing technique (2013)
  • Author(s): Yoshiki Nakata
  • Organizer: International conference on laser ablation (COLA)
  • Place of Presentation: Ichia, Italy
  • Year and Date: 2013-10-06
• [Presentation] Plasmonic device fabricated by interfering femtosecond laser processing (2013)
  • Author(s): Yoshiki Nakata
  • Organizer: International conference on laser ablation (COLA)
  • Place of Presentation: Ichia, Italy
  • Year and Date: 2013-10-06
• [Presentation] Design of interfenrence pattern using coherent beams (2013)
  • Author(s): Yoshiki Nakata
  • Organizer: Advanced Laser Technologies (ALT)
  • Place of Presentation: Budva, Montenegro
  • Year and Date: 2013-09-16
  • Invited
• [Presentation] Fabrication of plasmonic device by interfering femtosecond laser processing (2013)
  • Author(s): Yoshiki Nakata
  • Organizer: The 14th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2013)
  • Place of Presentation: Niigata, Japan
  • Year and Date: 2013-07-23
• [Presentation] Effect of laser irradiation on ZnO nanocrystal growth by nanoparticcle-assisted pulsed laser deposition (2013)
  • Author(s): Daisukke Nakamura
  • Organizer: The 14th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2013)
  • Place of Presentation: Niigata, Japan
  • Year and Date: 2013-07-23
• [Presentation] Controlled Growth of ZnO Nanocrystals Using Laser Interference Irradiation (2013)
  • Author(s): Yuuki Muraoka
  • Organizer: 18th OptoElectronics and Communications Conference (CLEO-PR 2013)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2013-06-30
• [Presentation] New Evolution in Interfering Femtosecond Laser Processing (2013)
  • Author(s): Yoshiki Nakata
  • Organizer: 18th OptoElectronics and Communications Conference (CLEO-PR 2013)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2013-06-30
• [Presentation] New technique for the fabrication of plasmonic device (2013)
  • Author(s): Yoshiki Nakata
  • Organizer: The satellite international symposium of ICONO/LAT 2013 conference
  • Place of Presentation: St. Petersburg
  • Year and Date: 2013-06-24
  • Invited
• [Presentation] レーザー干渉加工における位相・振幅制御によるメタマテリアルの直接作製 2 (2013)
  • Author(s): 中田芳樹
  • Organizer: 第60回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2013-03-27
  • Invited
• [Presentation] バッファ層のレーザーパターニングによるZnOナノウォールのパターン成長 (2013)
  • Author(s): 村岡佑樹
  • Organizer: 第60回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] バッファ層上へのZnOナノワイヤ成長におけるレーザー照射の影響 (2013)
  • Author(s): 中村大輔
  • Organizer: 第60回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Growth of periodic ZnO nano-crystals on buffer layer patterned by interference laser irradiation (2013)
  • Author(s): Disuke Nakamura
  • Organizer: SPIE Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM-XVIII)
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2013-02-04
• [Presentation] 光干渉を利用した周期構造ZnOナノ結晶作製とその光学特性 (2013)
  • Author(s): 中村大輔
  • Organizer: 電気学会光量子デバイス研究会
  • Place of Presentation: 島根
• [Presentation] 超短パルスレーザー干渉加工法：プラズモニクスへの応用 (2013)
  • Author(s): 中田芳樹
  • Organizer: 電気学会光量子デバイス研究会
  • Place of Presentation: 島根
• [Presentation] ZnOバッファ層のレーザー処理を利用したZnOナノ結晶の成長制御 (2012)
  • Author(s): 中尾しほみ
  • Organizer: 応用物理学会九州支部講演会
  • Place of Presentation: 佐賀大学
  • Year and Date: 2012-12-01
• [Presentation] 干渉レーザーを利用した周期構造ZnO ナノ結晶の作製法 (2012)
  • Author(s): 中村大輔
  • Organizer: 第73回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学、松山大学
  • Year and Date: 2012-09-11
• [Presentation] Metamaterials fabricated by interfering femtosecond laser processing with different combinations of laser and target parameters (2012)
  • Author(s): Yoshiki Nakata
  • Organizer: Laser Precision Microfabrication (LPM) 2012
  • Place of Presentation: Washington, USA
  • Year and Date: 2012-06-12
• [Presentation] Fabrication of new designed structure in lattice by interfering femtosecond laser processing (2012)
  • Author(s): Keiichi Murakawa
  • Organizer: 8th Asia Pacific Laser Symposium (APLS) 2012
  • Place of Presentation: Huangshan, China
  • Year and Date: 2012-05-27
• [Presentation] レーザー干渉加工における位相・振幅制御によるメタマテリアルの直接作製 (2012)
  • Author(s): 中田芳樹, 村川恵一, 桃尾一馬, 宮永憲明
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2012-03-15
• [Presentation] Generation of new nanostructures in designed matrix by interfering femtosecond laser processing (2012)
  • Author(s): Kazuma Momoo, Yoshiki Nakata, Noriaki Miyanaga
  • Organizer: SPIE Photonics West 2012
  • Place of Presentation: Moscone convention center, San Francisco, USA
  • Year and Date: 2012-01-24
• [Presentation] 干渉レーザー加工法に基づいた新規メタマテリアル構造の作製方法 (2012)
  • Author(s): 中田芳樹
  • Organizer: 次世代ナノ技術シンポ「メタマテリアル・プラズモニックデバイスの最近の進展」
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] プラズモニクス応用に向けた超短パルスレーザー干渉加工法の開発 (2012)
  • Author(s): 中田芳樹
  • Organizer: エクストリームフォトニクス研究会
  • Place of Presentation: 理研東京事務所
• [Presentation] レーザーを利用したZnOナノ・マイクロ構造体の作製と応用 (2012)
  • Author(s): 中村大輔
  • Organizer: レーザー学会第438回研究会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
• [Presentation] 超短パルスレーザー干渉加工における新展開-プラズモニクス応用に向けて- (2012)
  • Author(s): 中田芳樹
  • Organizer: レーザー学会第438回研究会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
• [Presentation] Designing of interference pattern in ultra-short pulse laser processing (2011)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga, Takuya Hiromoto
  • Organizer: 11th INTERNATIONAL CONFERENCE ON LASER ABLATION
  • Place of Presentation: Playa del Carmen Mexico
  • Year and Date: 2011-11-18
• [Presentation] Simulation and experimental results of periodic surface nano-texturing by interfering femtosecond laser (2011)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga, Takuya Hiromoto
  • Organizer: 19th International Conference on Advanced Laser Technologies
  • Place of Presentation: Golden Sands(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-04
• [Presentation] Generation of new meta-materials by interfering femtosecond laser processing with phase shift and amplitude difference between the beams (2011)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga, Takuya Hiromoto
  • Organizer: 2011 IQEC/CLEO Pacific Rim Conference
  • Place of Presentation: Sydney Convention and Exhibition Centre
  • Year and Date: 2011-08-30
• [Presentation] Generation of sharp and periodic structure by interfering femtosecond laser processing (2011)
  • Author(s): Yoshiki Nakata, Kazuma Momoo, Noriaki Miyanaga, Takuya Hiromoto
  • Organizer: The 12th International Symposium on Laser Precision Microfabrication
  • Place of Presentation: 高松国際会議所
  • Year and Date: 2011-06-10
• [Presentation] Generation of superfine structure smaller than 10 nm by topdown technique (2011)
  • Author(s): 中田芳樹
  • Organizer: 平成23年度第1回エクストリームフォトニクスセミナー
  • Place of Presentation: 理化学研究所
  • Year and Date: 2011-04-21
• [Book] Ultrafast Laser Processing: From Micro- to Nanoscale (2013)
  • Author(s): Koji Sugioka
  • Total Pages: 300
  • Publisher: Pan Stanford Publishing
• [Remarks] 電磁メタマテリアル
  • URL: http://www.metamate.net/index.html
• [Remarks] 応用物理学会春季学術講演会第１回フォトコンテスト（ダブル受賞）
  • URL: http://www.ile.osaka-u.ac.jp/research/lcc/Photocontest1JSAP2013Mar.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.metamate.net/