| 研究課題/領域番号 |
20K04627
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
坪川 信 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授 (70595975)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 光ファイバ / 光導波路 / 光プローブ / 光ビーム制御 / 光ピンセット |
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| 研究実績の概要 |
初年度から現在まで予期せぬCOVID19の継続的な影響により、学生の登校の抑制に加え、ワークステーションへの遠隔でのシミュレーション実験が停滞し、データ収集と整理が進まず外部発表をまとめるまでに至らなかった。しかしながら、シミュレーション実験データは徐々に得られてきているため、2022年度中には成果をまとめる予定である。
具体的には、大きく分けて2通りのアプローチでモデル構築とその解析を実施した。１つは、円環コア光ファイバからの高周波数の光干渉効果を利用した光スポット形成法である。従来より良く知られた手法に加え、我々は、以前から検討中のボウタイスロットコア構造を光ファイバ断面中に円環配置させる構造をとることで、一層の光スポット微細化を狙ったが、干渉縞の広がりが十分抑制できず、設計の見直しに至った。続いて、もう１つの手法として、“ナノジェット”と呼ばれる特殊形状の微小レンズを光ファイバ先端に設ける構造についても検討した。先端に半球や球を設けた単純な構造については、従来多くの報告例があり、光ファイバ出射端から少し離れた位置に焦点スポットを結ぶ。一層の微細スポット、長い焦点深度を達成するため、ボウタイコアスロット光ファイバ出射端の加工などいくつかの形状に関してシミュレーション実験を試みたところ、現時点では光スポット自体の微細化効果は小さいものの、空間的に曲がった形状の光スポットパターンが作り出せることを見出した。これは微細な光ビーム成型に役立つ効果であり、継続的に光ビームの制御性の整理を行い、外部発表に結び付ける予定である。
加えて、光ビーム形成、加工の主旨とは少し異なるが、本研究過程において、従来提案の微細光ファイバ構造が近年注目の光ピンセット効果、光によるナノ粒子の把持や輸送に応用可能なことを見出した。研究の拡張展開して取り組んでいく所存である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
COVID19の影響が続き、研究計画進捗の遅れも続いている。年度後半から徐々に回復状況にありデータ等の取得や解析が進んでいるが外部発表にまで至っていない。
2021年度当初より、提案済のナノサイズの光スポット形成を可能にする特殊な光ファイバ構造を微細出射光ビーム形成に適用することを考え、円環多重コア光ファイバとの接合や参考文献を基に高屈折率コントラストのスロット構造からなる導波路モデルを構築し、光出射パターンのシミュレーション解析を行った。高周波成分による微細スポット形成効果を狙ったが、ビーム周辺の干渉パターン残存が大きく、明瞭な光スポットは得られず、設計方針の修正が必要となり、若干の研究サーベイ後、別法として良く知られるナノジェット構造（光ファイバ先端部に半球や球状の加工を施す構造）に着目し、光ビームの伝搬特性を同様にシミュレーション評価した。新たな構造案として光ファイバと球状部の接合箇所に回折格子を挿入したり、円環コアやボウタイスロットコア光ファイバとの接合を行うなどいくつかのモデルを構築し、ビーム伝搬特性を観測した。途中状況の結果において、出射光スポット径は従来報告と同レベルで上回るに至らないものの、軸方向に長い焦点スポットが得られること及び、空間的に曲がった形状の光スポットが実現できることが確認できた。まだ、独自性主張のためには従来例の改善をより明示していく必要があるため、類似モデルの解析を継続し、2022年度中に結果をまとめて外部発表に結び付ける予定である。
本課題遂行中に、提案構造のマイクロ光ファイバが光圧現象を利用したナノ粒子を保持する光ピンセットやその輸送を行う毛細管として適応可能なことに気づいた。興味深い研究展開として、並行して研究を進めている。当初研究項目と少しずれるが、広義のナノ光ビーム制御のアプリケーションとして重要と捉えている
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでに研究での提案構造の見直しやCOVID19による研究環境、要員への影響で研究計画実施の遅延が出ている。2022年度は最終年度のため、新たな光ファイバ構造の提案に基づいたシミュレーションを継続して行い、結果をまとめて外部発表する。
研究環境の改善として、ワークステーションを一部改良し、若干の高速化を実現したが、遠隔利用での不安定さやアクセス過剰等が生じたため、研究室での使用時間割付など運用面も含めて改善する。学生の登校が改善されつつあり、遠隔利用などの障害も軽減できるはずである。研究実施に必須の計算機シミュレーションソフトウェアセットについては、2022年度も年間ライセンスを継続支出の予定である。
研究テーマに関しては、極細径光ビームの出射および光スポット形成に対して、ナノジェットでの提案法を基にして、微細なビーム形状の制御性にフォーカスし、モデル構築とデータ解析、整理を実施していく。さらに昨年度後半にレーザービーム形状の制御を検討中に発案した光圧を利用したナノ粒子捕獲、輸送を実現する導波路構造に関しても、類似課題の展開として解析を進めていく。
2022年度は最終年度のため、成果の外部発表に努める。研究費用は、主にワークステーション関連備品およびソフトウェア環境の整備にあてることとし、加えて必要が生じた場合、消耗品類、旅費にも支出を予定する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
成果発表のための出張が無く、旅費など経費支出が零となった。また、オンラインや遠隔での研究実施が多く、成果を整理する上での消耗品の使用なども少額となったことによる。
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