東工大ら,フォトニック構造の特性が分かる顕微鏡

東京工業大学,東京インスツルメンツ,物質・材料研究機構は共同で,フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡を開発した(ニュースリリース)。

フォトニック構造の光学特性を決定する重要な指標のひとつにフォトニックバンドダイアグラム(結晶中を伝搬する電磁波の分散関係に見られるバンド構造)がある。これを評価することで,回折限界を超えた光の閉じ込め,スローライト効果,偏光に依存した一方向性伝搬,負の屈折率など,通常の構造では見られない様々な光学現象を予想することが可能となる。

従来,フォトニックバンドダイアグラムを測定するためには,特定方向から光を入射し,それらの透過/反射特性を観測,評価を行なうことが一般的だった。この場合,それぞれのサンプル状態に適した形で光学系を組む必要があるとともに,光学系の調整を含めた測定・評価に多大な時間を要することが課題となっていた。

フォトニックバンドダイアグラムをより簡素に,かつ直接的に測定するために,研究グループではフォトニックバンドダイアグラム顕微鏡を開発した。広帯域白色光源から各種波長板や可変リターダを介した後,対物レンズによりサンプルと垂直に光を入射する。その後,サンプルから散乱してきた光のフーリエ画像を4f光学系を介して可視カメラおよび赤外カメラで観測する。

このとき,可視カメラの前には撮像レンズが配置されており,サンプルの実像を観測しながら,測定したいフォトニック構造の局所領域を指定することができるようになっている。また,赤外カメラの前には波長可変フィルタが配置されており,波長850nm-1,800nmの範囲における任意波長の回折パターンを得られる。

波長可変フィルタの中心波長を変化させながら,サンプルからの散乱光のフーリエ画像を観測し,その後,得られたフーリエ画像に対して,指定したパスに沿った強度情報を測定し,その情報を逆格子空間における特定エネルギーの強度分布に変換する。全ての波長に対して同様の動作を行ない,それらを2次元的に並べることで,フォトニックバンドダイアグラムを再構成することができる。

この装置により,様々なフォトニック構造のバンドダイアグラムを画一的に取得することに成功した。この装置は基礎研究面では,様々なフォトニック構造の特徴を明確化することができ,物性探求における多くの指標が得られる。より実用的には,各種フォトニック構造のバンドダイアグラムをあらかじめ測定しておくことで,それらを用いた光デバイスの設計が容易になる。この装置は6月上旬より「FA-CEED」の製品名にて東京インスツルメンツから販売される。

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