超短パルス光干渉加工による金属周期ナノ構造の創製と表面増強ラマン散乱法への応用

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23360035
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中田 芳樹 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 准教授 (70291523)
• 研究分担者: 坪井 泰之 大阪市立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (00283698) ; 中村 大輔 九州大学, システム情報科学研究科(研究院, 准教授 (40444864)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 表面増強ラマン散乱（SERS） / フェムト秒レーザー / 応用光学・量子光工学 / 干渉 / ナノ材料 / 金属 / 周期構造 / メタマテリアル

研究概要

①特注アポダイザー及び強度変調SLMを用いたビームプロファイルのフラットトップ化の比較を行った。前者の場合、規格化したビームプロファイル中心部φ2.4[mm]の範囲内におけるPV値が0.350から0.261に改善した。後者の場合、φ5.4[mm]の広範囲でPV値0.21に改善した。
②ショット毎にビーム強度分布が揺らぐレーザーの場合、空間フィルターでは設計通りのフラットトップ化性能を発揮出来ない。これを解決するため、二次の非線形光学効果を用いてピークカットを行う自律的かつパッシブなフラットトップ化の新手法を考案し理論解析及び予備実験を行った。
③フラットトップ化したビームで金薄膜の2次元スキャン干渉加工を行い、10×10mm四方のMHAデバイスを作製した。MHA構造由来の異常透過ピークが近赤外域で複数観測され、メタマテリアル作製の実証実験に初めて成功した。
④干渉パターン理論解析：従来の4ビーム及び6ビーム干渉パターン理論解析に加え、2波長干渉の理論解析を行った。波長に整数倍の関係が有る場合に電界強度が0に固定される領域が周期的に現れ、すなわち干渉パターンの形成を確認した。干渉条件のサーベイを行い、SERS測定用基板や種々のプラズモニックデバイスの作製に有用な干渉条件を選定した。多波長加工は被加工物のバンドギャップ特性との組み合わせによる超微細加工の可能性があり、開設限界を遙かに超えた超微細周期構造の一括作製へ道を開いた。
⑤Pyridine溶液を試薬に用い、金微細周期構造にHe-Ne光源を照射した場合のSERS活性を測定した。Ramanシグナルとの比較において信号強度増加及び波長シフトを確認し、作製した金微細構造基板にSERS活性があることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

理由

25年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

25年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Change of interference pattern using fundamental and second-harmonic wavelengths by phase shift of a beam (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nakata, Yoshiki Matsuba, Keiichi Murakawa, Noriaki Miyanaga
  • 雑誌名: Appl. Phys. A 巻: (published online)
  • DOI: 10.1007/s00339-014-8361-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] 超短パルスレーザ干渉加工法と近年の進展 ―メタマテリアルやプラズモニックデバイス作製に向けて― (2014)
  • 著者名/発表者名: 中田芳樹、島田直人、松葉良生、村川惠一、宮永憲明
  • 雑誌名: レーザ加工学会誌 巻: 21 ページ: 未定
  • 査読あり
• [雑誌論文] コヒーレントビーム干渉パターンのデザインと金ナノウィスカーマトリクス構造の作製 (2013)
  • 著者名/発表者名: 中田芳樹、松葉良生、村川惠一、宮永憲明
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 41 ページ: 811-815
  • 査読あり
• [学会発表] Fabrication and applications of periodic nanostructures formed by interfering femtosecond laser processing (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nakata, Naoto Shimada, Yoshiki Matsuba, Noriaki Miyanaga, Keiichi Murakawa, Tatsuya Shoji, Yasuyuki Tsuboi
  • 学会等名: ICALEO
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 20141019-23
  • 招待講演
• [学会発表] RECENT PROGRESS IN INTERFERING FEMTOSEOCOND LASER PROCESSING (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nakata, Naoto Shimada, Yoshiki Matsuba, Noriaki Miyanaga, Tatsuya Shoji, Yasuyuki Tsuboi
  • 学会等名: Advanced Laser Technologies
  • 発表場所: Cassis, France
  • 年月日: 20141006-20141010
  • 招待講演
• [学会発表] Fabrication of plasmonic devices by interfering fs laser processing (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nakata, Naoto Shimada, Yoshiki Matsuba, Noriaki Miyanaga, Tatsuya Shoji, Yasuyuki Tsuboi
  • 学会等名: LPM2014
  • 発表場所: リトアニア
  • 年月日: 20140618-20140618
• [学会発表] 超短パルスレーザー干渉加工法の近年の進展 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中田芳樹
  • 学会等名: 第 81 回レーザ加工学会講演会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 20140528-20140528
• [学会発表] アポダイザー及び SLM を用いたビームのフラットトップ化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 松葉良生，村川恵一，中田芳樹，宮永憲明
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス
  • 年月日: 20140319-20140319
• [学会発表] ZnO ナノウォールの作製とレーザー発振特性評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 原田浩輔、村岡佑樹、中尾しほみ、東畠三洋、池上 浩、中村大輔、中田芳樹、岡田龍雄
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス
  • 年月日: 20140317-20140317
• [学会発表] 光励起によるZnOナノ・マイクロ結晶の紫外レーザ発振特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中村大輔,下垣哲也,中尾しほみ,原田浩輔,村岡佑樹,東畠三洋,池上 浩（九州大学）,中田芳樹（大阪大学）,岡田龍雄
  • 学会等名: 光・量子デバイス研究会
  • 発表場所: 宮崎市民プラザ
  • 年月日: 20140307-20140307
• [学会発表] レーザーエネルギー学：光を自在に操作し、プラズモニクスやナノテクノロジーの実用化と高度化へ (2014)
  • 著者名/発表者名: 中田芳樹
  • 学会等名: 大阪大学未来戦略機構シンポジウム「Opt Osaka 2014 in Tokyo－大阪大学の光科学100－」
  • 発表場所: 大手町サンケイプラザ
  • 年月日: 20140306-20140306
• [学会発表] 超短パルスレーザー加工によるプラズモニック構造の作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中田芳樹, 島田直人, 松葉良生, 村川惠一, 宮永憲明, 東海林竜也, 坪井泰之
  • 学会等名: 光・量子デバイス研究会
  • 発表場所: 宮崎市民プラザ
  • 年月日: 2014-03-07
• [学会発表] Fabrication of 2D and 3D metal nanostructure in matrix by interfering ultrashort laser processing (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nakata, Yoshiki Matsuba, Keiichi Murakawa, Noriaki Miyanaga
  • 学会等名: EMN Fall meeting
  • 発表場所: Orlando Florida, USA
  • 年月日: 20131207-20131207
  • 招待講演
• [学会発表] 干渉レーザー加工における多波長干渉パターンのシミュレーション (2013)
  • 著者名/発表者名: 村川惠一，松葉良生, 中田芳樹,宮永憲明
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学
  • 年月日: 20130917-20130917
• [学会発表] Fabrication of plasmonic device by interfering femtosecond laser processing (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nakata, Yoshiki Matsuba, Keiichi Murakawa, Noriaki Miyanaga
  • 学会等名: LPM 2013
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata
  • 年月日: 20130725-20130725
• [学会発表] Effect of laser irradiation on ZnO nanocrystal growth by nanoparticle-assisted pulsed laser deposition (2013)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Nakamura, Tetsuya Shimogaki,, Yuki Muraoka, Shihomi Nakao, Kousuke Harada, Mitsuhiro Higashihata, Yoshiki Nakata, Hiroshi Ikenoue, Ttsuo Okada
  • 学会等名: LPM 2013
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata
  • 年月日: 20130723-20130723
• [学会発表] Controlled Growth of ZnO Nanocrystals Using Laser Interference Irradiation (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Muraoka, Tetsuya Shimogaki, T Sugie, Mitsuhiro Higashihata, Daisuke Nakamura, Yoshiki Nakata, Hiroshi Ikenoue, Ttsuo Okada
  • 学会等名: CLEO Pacific Rim
  • 発表場所: Kyoto International Conference Center
  • 年月日: 20130704-20130704
• [学会発表] New Evolution in Interfering Femtosecond Laser Processing (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nakata, Yoshiki Matsuba, Keiichi Murakawa, Noriaki Miyanaga
  • 学会等名: CLEO Pacific Rim
  • 発表場所: Kyoto International Conference Center
  • 年月日: 20130702-20130702
• [学会発表] New technique for the fabrication of plasmonic device (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakata, T. Matsuyama, S. Miyamoto, K. Murakawa, N. Miyanaga
  • 学会等名: Fundamentals of Laser Assisted Micro– and Nanotechnologies (FLAMN)
  • 発表場所: St. Petersburg, Russia
  • 年月日: 20130624-20130624
  • 招待講演
• [学会発表] Design of interference pattern using coherent beams (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nakata, Yoshiki Matsuba, Keiichi Murakawa, Noriaki Miyanaga
  • 学会等名: Advanced Laser Technologies
  • 発表場所: Budva, Montenegro
  • 年月日: 2013-09-16
• [備考] 第1回 JSAPフォトコンテスト 受賞作品紹介
  • URL: https://www.jsap.or.jp/activities/award/photoaward/winner01.html
• [備考] レーザーコヒーレンス制御（LCC）
  • URL: http://www.ile.osaka-u.ac.jp/jp/groups/photonics/lcc.html