大面積メンブレン誘電体人工ナノ構造を用いた真空紫外円偏光波長変換技術の開拓

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01147
• 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), 助教 (60543072)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 赤井 大輔 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 助教 (50378246)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: フォトニック結晶 / 非線形光学 / 真空紫外光

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、レーザー角度分解光電子分光法(ARPES)ための強力な新手法である。このための光源として、本研究では、「ワイドバンドギャップ・メンブレン・大面積」という新しいコンセプトに基づく人工ナノ構造を開発し、可視光の基本波を、レーザーARPESに応用可能な強度で波長190nm以下の真空紫外光へ円偏光波長変換する手法を開拓する。
今年度は、人工ナノ構造を作製していない、γ-Al2O3メンブレン自体の真空紫外波長変換特性を調べた。フェムト秒レーザーを基本波として、発生する第三次高調波強度(THG)の、励起光強度に対する依存性を実験的に求め、メンブレンの破壊が生じるレーザー強度(破壊閾値)を明らかにした。その結果、光電子分光用光源としての応用が十分見込める、1パルス当たり10^5個程度の真空紫外光フォトンが生成されていることを明らかにした。また、膜厚の異なるγ-Al2O3メンブレンを用意し、THG発生効率に与える影響を調べた。
また、数値計算シミュレーションにより、基本波の波長に共鳴するフォトニック結晶メンブレンの構造を明らかにし、そのような人工ナノ構造を有する大面積γ-Al2O3メンブレンの作製プロセスを開発することに成功した。具体的には、電子線描画とドライエッチングを用いたγ-Al2O3薄膜へのフォトニック結晶作製プロセスと、その後のメンブレン化のプロセスの最適条件を明らかにした。そのようにして作製したフォトニック結晶メンブレン構造に円偏光のフェムト秒レーザーを入射し、THGによって生成される真空紫外コヒーレント光の偏光状態を計測したところ、たしかに円偏光状態の真空紫外光が生成できていることが確かめられた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

平成30年度の段階で、フォトニック結晶メンブレンの作製手法の確立に成功し、さらに、真空紫外円偏光THGの観測を確認することができた。当初の計画を上回るペースで、非常に順調に研究が進んでいるといえる。

Strategy for Future Research Activity

人工ナノ構造を作製していないγ-Al2O3メンブレン自体の、フェムト秒レーザーを基本波として発生する真空紫外第三次高調波発生(THG)特性の探索を進める。THG発生可能な最短波長を明らかにし、それを決める物理的要因の解明を進める。
また、円偏光真空紫外コヒーレント光発生可能なフォトニック結晶メンブレンの真空紫外領域におけるTHG発生効率・特性の詳細を明らかにする。さらに、入射光及び真空紫外光の偏光状態を詳細に測定し、真空紫外光の円偏光度を測定する。また、THG発生の数値計算シミュレーションを用いた解析手法に関して検討を進める。