2022 Fiscal Year Annual Research Report
Simultaneous and independent control of amplitude, phase, and polarization of the optical wave by double phase meta-hologram using dielectric meta-atom
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21H01838
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
志村 努 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90196543)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | メタサーフェス / メタアトム / 電磁界解析 / 振幅・位相・偏光全制御 / 電子ビームリソグラフィー / ２重位相ホログラフィー / ハルトマンマスク / タルボット像 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度からの課題となっていた、100 nm 以下のサイズのメタ原子が設計通りに作成できないという問題を回避するため、メタアトムのサイズを100 nm 以上に限定して、2重位相メタ表面のシミュレーションを行った。メタ表面は、2種類の直方体のメタ原子が正方格子上に市松模様に2次元配列された構造を考えた。設計パラメータとしては、以下の７つを考えた。まずは配列する正方格子の格子間隔をpとした。2種のメタアトムの高さはhで共通とした。一つのメタ原子の底面の長方形の長辺短辺をそれぞれL1、S1、同様にもう一方を同様にL2、S2とした。長辺のx軸からの回転角をαとし、これも2種のメタ原子で共通とした。この条件下で、pとhを固定した状態で、残りの5つのパラメータを変化させることで、メタ表面の出力光波に対して、0~2πまでの位相、全ての偏光状態、0～1の範囲の透過率を与えられることを確かめた。
計算結果を検証するために、SiO2基板上にSiのメタ原子を配列した構造の作製を試みた。設計値通りの形状のメタ原子を作製するために、電子ビーム露光、現像、エッチング、等の各プロセスの最適化を行った。
当初の予定にはなかったが、メタ表面による光波の変調度を計測するため、ハルトマンマスクのタルボット像の歪みから波面情報を得るシステムの検討を行った。撮像素子の各画素に、0°、90°、45°の直線偏光子と右回り円偏光子をつけることにより、光波の振幅、位相、偏光、すべての情報がワンショットで計測できることを数値シミュレーションにより検証した。
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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
前年度に、100 nm 以下のサイズのメタ原子の作製は難しいという問題が明らかになった。そこで今年度は、まず構造のサイズを100 nm 以上に限定した条件で、数値シミュレーションにより振幅、位相、偏光が全ての範囲で変調できるかを検討した。構造のパラメータは前述の７通りだが、メタアトムの格子定数pと高さhは一つのメタ表面作成時には固定値となるため、この2つを固定して残り5つのパラメータを振って、全ての範囲での変調が可能であることを確かめた。ただし、ここで問題は、3要素が全て独立に変調できるか、であり、これはまだ確かめられていない。
試料の作製に関しては、現状電子ビームリソグラフィーによるプロセスの技術習得中である。製作担当の学生が卒業により交代したため、前任者のノウハウを受け継いでプロセスの最適化を行っている。書面による引継ぎ、直接指導は行ったが、実際のオペレーションに慣れるまでに時間を要した。
並行して、ハルトマンマスクのタルボット像を用いて、光波の3要素の空間分布を、ワンショットで計測できるデバイスの作製に取り組んだ。位相計測の原理は、ハルトマンマスクに入射する光波の位相分布により、ハルトマンマスクのタルボット像が歪むことを利用し、この歪み情報を数値的に処理することにより波面の位相分布が求められる。さらに子のタルボット像を取り込むカメラの各画素に前述の4通りの偏光子を貼り付けることにより、ストークスパラメータが求められる。この装置の動作の原理実証を、数値シミュレーションにより行った。
派生的な成果として、メタ原子の間隔によっては、光波がメタ原子配列のブロッホモードに共鳴し、フォトニック結晶的なふるまいをし、これによる振幅制御が可能であることがわかった。光波は面に垂直に入射するが、その進行方向と直交する方向へのメタアトムからの散乱光が共鳴し、透過率の制御が可能となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
光波の３要素を同時独立に変調できるメタ表面を設計するためには、やみくもにメタ表面のパラメータを変えて、光波の変調量を計算するのでは効率が著しく悪い。パラメータは上記で７つを挙げたが、αは2種の構成メタ原子１と２で異なる値をとることができるので、α1、α2とすることができ、また格子定数もx方向とy方向は異なって構わない。この場合前述のpをpx、py、で区別する。したがって、独立なパラメータは9個となる。これらを全て変化させて3要素変調量を電磁界解析により求めることは、計算時間を考えてもあまり現実的ではない。そこで、まず正方格子での格子定数p=px=pyとメタ原子の高さhを決め、その縛りの中で、単一要素メタ原子でのメタ表面での光波の3要素変調量を長辺L、短辺S、回転角αの関数として電磁界解析により求める。これをデータベースとして、2種の異なるメタ原子からなるメタ表面による光波の変調量を、2重位相ホログラフィーの原理に基づいた近似計算により求める。この値と、完全な電磁界解析で求めた2種メタ原子による光波の変調量と比較し、2重位相ホログラフィーの原理がどの程度まで有効であるかを数値的に見積もる。同様にこれを実験的に検証する。
作製した試料の計測のために、ハルトマンマスクのタルボット像の歪みを用いる光波の3要素同時ワンショット計測システムを引き続き構築する。従来方式では全ストークスパラメータの計測には円偏光偏光子が必要であったが、直線偏光子のみで計測可能な方式も模索する。
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