2020 年度実績報告書

メタサーフェス構造による負屈折物質中における波束伝搬の実験的観測

研究課題

研究課題/領域番号	20J21825
研究機関	筑波大学
研究代表者	伊知地直樹筑波大学, 理工情報生命学術院, 特別研究員(DC1)
研究期間 (年度)	2020-04-24 – 2023-03-31
キーワード	Surface Plasmon / Metamaterial / Ultrafast
研究実績の概要	本研究では、金属表面に超短パルスレーザーを照射することによって自由電電子の集団的な振動運動であるSurface Plasmon Polariton: SPP波束を励起し、二光子蛍光顕微鏡法を用いた時間分解観察によって波束の空間的形状の時間変化を実空間観測する。人工的な微小共振器構造を集積することによって従来自然界には存在しなかった新奇光学特性を実現するメタマテリアル・メタサーフェス構造に対してSPP波束を入射させることにより、負の群速度や異常屈折現象などの特異な伝搬現象を詳細に理解することを目的としている。本年度の研究では、フェムト秒表面プラズモン波束と微小共振器との相互作用の時間分解映像のデータ解析を進め、実験結果をほぼ満足する解析モデルの構築に成功した。加えて、波束が微小共振器を通過する際の見かけの群速度を定義し、見かけの群速度が励起レーザーのチャープにより制御することが可能であることを示した。見かけ上の群速度は金属表面上におけるSPPが周波数分散を持ち、伝搬に伴って波束中に空間的な周波数分布が生じることに起因しており、超短パルス内部の空間的な周波数分布の制御により伝搬特性を制御するStructure lightをSPPに適用するうえで重要な実験結果である。また、FDTDシミュレーションを用いて異なる構造を持った微小共振器構造を組み合わせた複合型共振器構造の設計を行った。複数の共振器構造の共鳴周波数及び距離の調節により、共振器の共振次数に応じた共鳴スペクトルの変調が可能であることを確認した。
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本年度は、新型コロナウィルスの感染拡大に伴う大学への入校制限等を鑑み、情勢によらず研究活動が継続できる数値計算及び電磁界シミュレーションなどを用いた解析・設計をメインとして研究を行った。結果として、実験結果をほぼ満足に再現する数値モデルの構築に成功したことに加え、二光子蛍光顕微鏡法によって得られる干渉ビートパターンと実際のSPP波束の電場波形との間の関係における詳細な知見が得られた。また、SPP波束を励起するレーザーのチャープ量を調整することにより、特異な伝搬現象が得られる可能性が示唆された。
今後の研究の推進方策	現在回折や拡散を含まない一次元モデルとして計算している数理モデルを二次元に拡張し、より精度の高いSPP波束の伝搬解析を行う。また、SPP波束を励起するレーザーの空間的な周波数・位相の設計を行い、特異な伝搬特性を有したSPP波束を設計する。設計したSPP波束を励起及び実空間観測をするために、光路中に分散保障ガラス及び空間光変調器を組み込んだ光学系の構築を行う。