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2018 年度 実績報告書

フェムト秒レーザーにより非金属表面に励起される表面プラズモンのダイナミクス

研究課題

研究課題/領域番号 18H01894
研究機関東京農工大学

研究代表者

宮地 悟代  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30378905)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード表面プラズモン / フェムト秒レーザー / シリコン / ナノ加工 / レーザー加工
研究実績の概要

高強度のfsレーザーを半導体や誘電体の表面に集光照射すると、fsからnsの時間領域にわたる超高速の光励起・緩和過程によって、非金属でも金属に匹敵するほどの高密度のキャリアが励起されることが知られている。高密度キャリアの励起にともない、様々な現象が生じることも知られているが、キャリア密度やダンピング時間など不明なパラメータは多い。また近年、高強度のfsレーザー照射によって非金属にも表面プラズモンポラリトン(SPP)が過渡的に励起されることが報告されている。
非金属に励起されるSPPは、fsレーザーに特有のナノ周期構造を形成するのに支配的な役割を果たしていると提案されてきた。光励起・緩和に伴うSPPの過渡的特性を観測・制御することができれば、加工形状を精密に制御できる可能性があるため、そのダイナミクスを理解することが必須である。これにより、過渡的特性から光励起・緩和過程についての情報も知ることができる。本研究の目的は、シリコン(Si)に過渡的に励起されるSPPのダイナミクスを理解することである。そのためにSi回折格子(溝周期Λ=1300 nm)をターゲットとしたポンプ・プローブ反射率測定実験を行った。
まず、SPPを励起・観測するためのプローブ光の光源として非同軸光パラメトリック増幅装置を作製した。発生させたプローブ光(波長650~740 nm、パルス幅23 fs)と、高密度キャリア励起用のポンプ光(~800 nm、100 fs)で反射率測定実験を行った。その結果、ポンプ光照射後 100 fs以降に、波長700 nm付近の反射率が落ち込むことが観測された。これはプローブ光によってSPP励起されたことを明確に示している。さらに遅延時間を 100~600 fsで変化させてもSPPが励起されることがわかった。これは、ポンプ光照射後の時間においてもSPPが励起できることを初めて実証する結果である。

現在までの達成度 (区分)
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

設計通りの光源を発生させ、それを用いた分光実験を行うことができた。現在、結果の詳細を解析中であり、成果報告を行う予定であるため。

今後の研究の推進方策

今年度は得られた結果を基に、表面プラズモンの波長、伝搬長、空間モードのダイナミクスを特定する。さらに、レーザー照射後のターゲット表面の形状と比較することにより、加工形状を決定する表面プラズモンの特性を見出す。

備考

成果等は逐次掲載している。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 8件、 招待講演 6件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Laser-Laboratorium Goettingen e.V.(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Laser-Laboratorium Goettingen e.V.
  • [国際共同研究] P. N. Lebedev Physical Institute(ロシア連邦)

    • 国名
      ロシア連邦
    • 外国機関名
      P. N. Lebedev Physical Institute
  • [雑誌論文] Reduced damping of surface plasmon polaritons on silicon with intense femtosecond laser pulse2019

    • 著者名/発表者名
      Godai Miyaji, Masato Hagiya
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys. Rapid Communication

      巻: 58 ページ: 050916-1~4

    • DOI

      https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab13db

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nanostructure Formation on Diamond-Like Carbon Films Induced with Few-Cycle Laser Pulses at Low Fluence from a Ti:Sapphire Laser Oscillator2018

    • 著者名/発表者名
      Nikaido Seiya, Natori Takumi, Saito Ryo、Miyaji Godai
    • 雑誌名

      Nanomaterials

      巻: 8 ページ: 535~535

    • DOI

      https://doi.org/10.3390/nano8070535

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Characterization of surface plasmons inducing nanoablation on nonmetallic materials excited with intense femtosecond laser pulses2019

    • 著者名/発表者名
      G.Miyaji, M.Hagiya, and D.Moriyama
    • 学会等名
      Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XIX in Photonics West 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nanostructure formation on Silicon suboxide with plasmonic near-field ablation induced by femtosecond laser pulses2019

    • 著者名/発表者名
      T. Takaya, G. Miyaji, J. Ihlemann, and L.J. Richter
    • 学会等名
      CLEO-EUROPE 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Origin of fluence dependence of periodicity in nanostructuring on diamond-like carbon films with femtosecond laser pulses2019

    • 著者名/発表者名
      G. Miyaji, S. Nikaido, T. Natori, and R. Saito
    • 学会等名
      International Conference on Ultrafast Optical Science (UltrafastLight-2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Observation of surface plasmon polaritons on nonmetallic materials excited with intense femtosecond laser pulses2018

    • 著者名/発表者名
      G.Miyaji
    • 学会等名
      International Workshop on Frontiers in Lasers and Applications (FLA 2018)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A high-efficiency ring beam converter with axicon mirror2018

    • 著者名/発表者名
      Y.Shimoji and G.Miyaji
    • 学会等名
      The 7th Advanced Lasers and Photon Sources 2018(ALPS2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Excitation of surface plasmon polaritons on non-metallic materials with intense femtosecond laser pulses and its application to nano-processing2018

    • 著者名/発表者名
      G.Miyaji
    • 学会等名
      LPM2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Controlling of plasmon damping on nonmetallic gratings excited with intense femtosecond laser pulses2018

    • 著者名/発表者名
      G.Miyaji, S.I.Kudryashov, and S.V.Zabotnov
    • 学会等名
      International Conference on Ultrafast Optical Science (UltrafastLight-2018)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Manipulation by surface plasmon resonances: optical and materials aspects2018

    • 著者名/発表者名
      S.I.Kudryashov, P.A.Danilov, L.V.Nguyen, S.V.Zabotnov, I.N.Saraeva, N.I.Busleev, A.A.Rudenko, G.Miyaji, and A.A.Ionin
    • 学会等名
      International Conference on Ultrafast Optical Science (UltrafastLight-2018)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 東京農工大学宮地研究室ホームページ

    • URL

      https://miyalab.themedia.jp/

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公開日: 2019-12-27  

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