金属構造と光誘起構造の融合体で構成されるメタマテリアルによる動的光制御

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H06086
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 玉山 泰宏 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50707312)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 応用光学・量子光工学 / メタマテリアル

Outline of Annual Research Achievements

赤外光のメタマテリアルへの捕捉、保存および再生を目指して研究を行っている。この目標を達成するために、半導体基板上に金属構造を形成したようなメタマテリアルを用いる。そして、半導体基板表面に励起レーザーを照射して光キャリアを励起することにより、メタマテリアルの電磁応答を動的に変化させられることを利用する。本年度は、メタマテリアルの透過特性測定のための実験系の構築、および、この実験系を用いることにより、励起レーザー照射による半導体基板の誘電率変化の評価を行った。
まずは、実験系の構築について述べる。半導体基板上に金属構造を形成することによりメタマテリアルを作製するわけであるが、金属構造を形成する領域は、おおよそ、100マイクロメートル四方である。そのため、メタマテリアルへの光照射位置をモニターしながら調整できるような系が必要である。そこで、透過測定の系に顕微鏡と同様の系を組み込んだような実験系を構築した。これにより、励起レーザー光とメタマテリアルの特性測定用の光の両者をメタマテリアル上の所望の位置に重ねて照射することができるようになった。
次に、励起レーザー照射による半導体基板の誘電率変化の評価について述べる。ここでは、半導体基板表面に金属構造は作製せず、半導体基板そのものの光キャリア励起による特性変化を評価した。上で構築した実験系を用いて、半導体基板の透過スペクトルを励起レーザー照射時および非照射時に対して測定した。その結果、半導体基板の光キャリア励起による誘電率変化の効果を確かに観測することができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度の予定は、メタマテリアルの透過特性を測定するための実験系の構築と、半導体基板の光キャリア励起の効果の評価であった。前者については、メタマテリアルの金属構造の形成領域を狙って、透過特性測定用の光と半導体基板励起用の光を重ねて照射できるような系を実現できている。光の照射領域を常時モニターできるようにしているので、容易に光照射位置を調整できるような測定系になっている。また、この測定系は次年度以降の実験で励起レーザー光をメタマテリアルに対して2光束干渉照射により照射することを見越した構成にしてある。後者については、上記の透過特性測定系を用いて半導体基板単体での光キャリア励起の効果を評価できている。当初は、金属構造を半導体基板上に形成したものを作製し、その試料に対して光キャリア励起を行い、透過スペクトルの変化を測定することによって、半導体基板の誘電率変化を評価する予定であった。ところが、金属構造を形成せずに半導体基板単体に励起レーザーを照射しただけで、誘電率の変化が透過スペクトルの変化として現れたので、予定を変更して上述のようにした。結果として、無駄なプロセスを排除して研究を遂行できたと言える。半導体基板励起用レーザーの照射による誘電率変化の評価結果から、励起用レーザーの集光スポットサイズを後の実験に適した大きさにすることも既に行っている。これらのことから、おおよそ予定通り、研究は進んでいると考えている。

Strategy for Future Research Activity

来年度は、メタマテリアルへ励起用レーザーを2光束干渉照射により照射できるように実験系に修正を加えるのと並行して、メタマテリアルの金属構造の構造パラメータの最適化を行う。前者については、まず、マイケルソン干渉計を構築し、その一方のミラー位置を電動ステージで制御することにより、任意の可変時間差をもつ2つのパルスを生成できるようにする。そして、2つのパルスそれぞれに対して、メタマテリアル表面で2光束干渉を生じるように系を構築する。ここで、励起用パルスレーザーの2光束干渉照射においては、光路差をレーザーのコヒーレンス長よりも小さくしないといけないので、電動ステージを利用した可変遅延路を組み込む。後者については、メタマテリアルの共振波長が1.5マイクロメートルになるように構造を設計する。電磁界シミュレーションと実験におけるメタマテリアルの特性を比較しながら、共振波長が1.5マイクロメートルになるように、カットアンドトライにより構造パラメータを微調整していく。最適化されたメタマテリアルに、光キャリア励起用レーザー（2光束干渉照射ではない）と透過特性測定用のCWレーザーを照射し、透過レーザー光のパワーの時間変化を測定することにより、時間領域でのメタマテリアルの応答変化を評価する。励起レーザーによる応答変化時間や応答変化量が十分なものであることが確認できれば、赤外光の捕捉・保存・再生実験（再来年度以降）を行っていく。