2014 Fiscal Year Annual Research Report
表面プラズモン励起支援型超高速全光操作ナノ光スイッチシステムの提案
| Project/Area Number |
26286059
|
|---|
| Research Institution | Shizuoka University |
|---|
Principal Investigator |
杉田 篤史 静岡大学, 工学研究科, 准教授 (20334956)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
間瀬 暢之 静岡大学, 工学研究科, 教授 (40313936)
川田 善正 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (70221900)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 応用工学・量子光工学 / 光スイッチ / 表面・界面物性 / 光源技術 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
ナノサイズの微小な金属粒子の光学応答が、近年大きな注目を集めている。このように微小な金属ナノ粒子に光を照射すると、局在表面プラズモンと呼ばれる伝導電子の集団振動状態が励起され、それに伴いナノ粒子表面に局在した高密度な光電場が発生する。この微小な光電場の各種光源応用技術は、ナノ光工学と呼ばれ、現在国内外で活発に研究が行われている。本研究は、この局在表面プラズモン増強光電場を利用した微小な光スイッチシステムを構築することを目標とする。この光スイッチシステムの基本動作原理は、第一の光パルスにより、金属ナノ粒子周辺の屈折率変化をもたらし、続いて照射する第二の光パルスの透過もしくは反射率を変化させることによるものである。光スイッチにおける素子の過渡応答は、非線形光学効果を利用するが、本研究では金属ナノ粒子表面に非線形性の大きなポリマー材料を積層することにより、この目的を実現する。
平成26年度は、光スイッチの基本原理となる表面プラズモンと非線形光学ポリマーとの非線形相互作用について検討した。研究では試験の簡便性から二個の光子が相互作用する二次の非線形光学現象である第二高調波発生によりこの課題の解決に挑戦した。特に、励起光の周波数、局在表面プラズモン共鳴周波数、非線形光学ポリマーの遷移周波数の相関関係について注目した。研究の結果、励起光の周波数が、金属ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴周波数と一致すると高効率な第二高調波発生をすることを観測した。更に、異なる遷移周波数を持つ非線形光学ポリマーを用意し、実験を行ったところ、励起光の周波数が、非線形光学ポリマーの遷移周波数に近づくにつれ、高効率な第二高調発生を示すことを明らかにした。以上より、本研究では局在表面プラズモンを微小光源とし、非線形光学ポリマー中で非線形光学相互作用を誘起できることを実証した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成26年度は、非線形構成の大きなポリマー材料の開発及びその非線形光学特性の評価を行った。本研究で選択した非線形光学ポリマー材料は、ゲストホスト型ポリマー材料と呼ばれ、光との相互作用を担うゲスト色素材料とそれを固定保持するホストポリマー材料より構成される。本研究ではゲスト色素材料の開発を重点的に実施した。ゲスト色素材料は、共役電子軌道を持った部位に電子受容体および電子許容体を置換した基本構造を持つ。その遷移周波数は、共役電子系、電子受容体、電子許容体のいずれの設計を工夫することによって調整可能である。本研究では、励起光800nmの光源を利用するため、この波長帯に近い吸収を持つ色素材料を用意することが鍵となる。平成26年度は、これら三要素のうち、電子受容性の大きな色素分子を用意することにより、この課題の克服に挑戦した。合成実験を進めたところ、吸収端が650nmと励起光に近共鳴な色素の合成に成功した。これにより、近紫外から可視光のほとんどをカバーする領域で遷移周波数を持つ非線形光学ポリマー材料が用意された。
続いて、この非線形光学ポリマーを積層した金属ナノ粒子の第二高調波発生現象について検討した。金ナノ粒子自身が非線形性を示し、光照射により第二高調波発生を示すが、非線形光学ポリマーを積層することにより、より大きな変換効率での第二高調波発生現象を観測することに成功した。また、非線形光学ポリマーの遷移周波数と非線形性の相関について検討したところ、励起光の周波数が、非線形光学ポリマーの遷移周波数に近づくほど、大きな非線形性を示すことも明らかにした。
以上により、光スイッチシステムの基本原理となる三次の非線形効果を実現するための基盤が完成した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度は、平成26年度に完成したプロトタイプシステムについて光スイッチングシステムの基本原理となる三次の非線形光学効果について検討する。zスキャン法と呼ばれる三次の非線形光学感受率評価法を実施することから、研究を着手する。この手法は、シングルビームを光源とする簡便な評価法である。続いて、光カーゲート分光法により目的とする光スイッチ動作について検討する。この分光計測技術では、二つの光パルス間に時間差を付けて連続的に照射するものである。第一の光パルスで金属ナノ粒子の光学的性質を過渡的に変化させ、続いて照射する第二の光パルスは、その過渡的変化を受ける。そのため、第一の光パルスのオンオフにより、第二の光パルスの光陵が変化し、スイッチ動作が実現される。平成26年度に準備したフェムト秒レーザーを光源とした光カーゲート分光システムの開発も研究計画の一部として含まれる。
非線形光学ポリマーの開発に引き続き実施する。平成26年度は、電子受容体部分の開発に重点を置いたが、平成27年度は、共役電子系部分の開発を重点的に実施する。これにより、現在、励起光源の波長800nmにおいて完全共鳴した非線形光学ポリマーが用意される予定である。
平成27年度までは、同一形状をした複数の金属ナノ粒子を用意し、その集団平均より素子1個当たりの光学応答を調査する予定である。研究最終年度の平成28年度は、単一の金属ナノ粒子における光学応答について実現し、目標とするナノ光スイッチシステムを完成する計画である。平成26年度は、その為に必要な顕微光学系の設計を実施するとともに、実際の光学系の準備にも着手する。
|
