2018 Fiscal Year Research-status Report
Systematic study and control of vector fields appearing in two dimensional moiré fringes with meta surfaces
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18K04967
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
大野 誠吾 東北大学, 理学研究科, 助教 (70435634)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | テラヘルツ光 / モアレ型メタ表面 / 幾何学的位相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、測定のための光学系構築が最も大きな目的であった。モアレ型メタ表面を透過した光の強度および位相分布を測定するためにテラヘルツ帯の時間領域分光（THz-TDS）イメージングシステムを構築した。通常のTHz-TDSは、フェムト秒パルスレーザーを２つに分けテラヘルツ光のエミッター側と検出器側でいわば干渉計を構築する。これにより、片側の光路に光学遅延を設けた場合、それを変化させることでテラヘルツ光の位相も含めた電場波形の検出が可能となる。このようなTHz-TDSを用いて波形の空間分布のイメージングを行う場合、空間的に異なる点において干渉計を構築する必要があり現実的ではない。そこで本研究ではイメージングを行うために、THz検出器としてファイバー結合型の光電導アンテナ（PCA）を導入した。fsパルスレーザを光ファイバーに通すとその群速度分散によりパルス幅が長くなる。そこでファイバーへ結合する前に回折格子対を用いた透過型のパルスコンプレッサーへfsパルスを導入することで群速度分散を補償した。これにより光路長を変えることなく検出器の位置を動かすことが可能となった。本成果は第66回応用物理学会春季学術講演会にて報告した。
一方で、モアレ型メタ表面の本質的な性質として光の幾何学的位相を光に付与する性質を持つ。本研究を進める中で、このことを抽出し、光の幾何学的位相シフタを導入した光学共振器の着想を得た。それによると幾何学的位相シフタを構成する波長板の回転に伴ってファブリペロー共振器の共鳴周波数を自由スペクトル領域（FSR）を超えた範囲で自由にシフトさせることができる。この手法は新しい共振器、レーザー発振器の原理となりうる。この成果はIRMMW2018にて報告し、またOSA continuum に掲載された。また、特許出願を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
測定対象であるメタ表面の作成手法に関して、オンデマンドのメタルマスク作製技術を応用することで、メタ表面の構成要素である金属2次元周期構造が作成可能であることを確かめた。また、それによる光学応答がおおむねシミュレーション結果と一致していることから金属周期構造の作成に関しておおよその目途をつけることができた。今後はそれを２枚重ねた場合の光学応答を実際に調べるフェーズへと移行する。
装置の構築に関して、ファイバー結合型のPCAの納期が当初の予定よりもかかったことから光学系の構築はやや出遅れているものの、１年目の目標であったファイバー結合型のTHz-TDSシステムの構築、およびそれを用いたテラヘルツ電場波形の空間分布の取得には成功した。ただし、現状テラヘルツ波の測定感度に関して、ワイヤーグリッド偏光子、検光子を用いた偏光分光を行うにはS/N比が十分ではなく、その分、装置の調整にもう少し注力する必要がある。
幾何学的位相シフタを導入した光学共振器については、本研究から派生的に生じたことから計画当初からはまったく予期していなかった研究成果であり、新奇共振器構成、レーザー光源、周波数角度変換手法、光コムモード制御など、今後とも波及効果が広がるよう研究を進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
装置開発について、現状テラヘルツ波の測定感度に関して、ワイヤーグリッド偏光子、検光子を用いた偏光分光及びそのイメージングを行うにはS/N比が十分ではない。メタ表面を透過してきたテラヘルツ波の偏光情報も含めた光学応答の空間分布を調べるためには、これまで用いていた非線形結晶（ZnTe）を用いたテラヘルツ放射から、集積型PCA（iPCA）などより高出力のテラヘルツ出力を期待できるテラヘルツ放射素子を利用するなど工夫が必要である。また、偏光解析についても、検出器を直接回転させるなどなんらかの工夫が必要になる。その分、装置開発、調整にもう少し注力する必要が出てきている。今年度中期までには装置開発をひと段落させ、本題のメタ表面を透過した光の強度位相分布を明らかにする。
メタ表面に関して、これまで計算を行ってきた周期的モアレ型メタ表面に加え、ランダムパターンの相関から生じるグラスパターン型メタ表面に関してもシミュレーションを試みる。その際、比較的大規模な計算が必要になることから計算機リソースの拡充を図る。これまで、メタルマスクの作成は周期パターンの作成のみであったがランダムなパターンが作成可能か検証する必要がある。
派生的に生じた幾何学的位相シフタを導入した光学共振器の研究に関しても別途研究予算を取得や共同研究へと広げるなど積極的な展開を図る。
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