デュアル光磁場コムを用いたメタマテリアル近接場の複素透磁率分光法の開発

• 研究課題/領域番号: 21K18727
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分21:電気電子工学およびその関連分野
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 安井 武史 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 教授 (70314408)
• 研究分担者: 田中 拓男 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (40283733) ; 岡本 敏弘 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 准教授 (60274263) ; 南川 丈夫 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 准教授 (10637193) ; 浅原 彰文 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (00770091)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2021年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 光コム / メタマテリアル / 光磁場 / 光電場 / 屈折率 / 透磁率

研究開始時の研究の概要

屈折率は、比誘電率と比透磁率の平方根の積で決まるが、自然界にある物質は光磁場と相互作用しないので、比誘電率の平方根が屈折率に等しくなる。この自然界の常識を覆したのが「メタマテリアル」である。物体中に金属ナノ構造を作り込んで比透磁率を任意に制御することにより、自然界の常識を超えて光を自由自在に操ることが可能になる。この「非常識な光学」をメタマテリアルで実現していくためには、遠方場や近接場における光電場と光磁場の振る舞いを明らかにする必要があるが、困難とされてきた。
本研究では、「光周波数の物差し」である光周波数コムを更に光磁場計測に発展させることにより、革新的な近接場光磁場分光法を実現する。

研究実績の概要

２組のエルビウム添加フィバー光コム（中心波長=1550nm、スペクトル幅=50nm、繰り返し周波数=100MHz）を用いて、デュアル光電場コム分光装置の構築を行った。測定用光コムから出力された光は、サンプル光とリファレンス光に分割され、サンプル光がサンプルを通った後、再びリファレンス光と重ねられる。その後、偏光ビームスプリッタで読み出し用（局部発振器用）光コムと干渉させ、バンドパスフィルタで帯域制限を行った後、光検出器で検出する。取得したインターフェログラムをフーリエ変換することにより、光電場コムのモード分解振幅コムとモード分解位相コムを取得した。
構築した装置の基本特性を評価するため、複素屈折率スペクトルが既知の標準サンプルを計測したところ、複素屈折率（屈折率、消衰係数）が文献値と同じであることを確認した。次に、メタマテリアル模擬サンプルとして、金ナノ粒子濃度の異なる透過性光学材料を計測した。その結果、金ナノ粒子濃度の依存性を確認した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

・デュアル光電場コム分光装置の構築を行い、ほぼ想定通りの測定性能を達成した。
・メタマテリアル模擬サンプルを計測し、複素屈折率スペクトルにおける光学特性の違いを確認出来た。

今後の研究の推進方策

構築したデュアル光電場コム分光装置を用いて、複素屈折率スペクトル特性が意図的に制御されたメタマテリアルサンプルを計測し、所望通りの特性が実現できているのかを確認する。また、メタマテリアルサンプルの複素屈折率スペクトル特性制御手法と、実現された複素屈折率スペクトル特性との関係性を明らかにする。並列して、光磁場検出の検討を行い、デュアル光磁場コム分光装置の実現可能性を検証する。