Development of meta-surface beam forming optical element for uniform distribution of irradiation light at multiple points

开发用于多点均匀分布照射光的超表面光束形成光学元件

基本信息

批准号：
22K04894
负责人：
池沢聡
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では，多点への均一強度ビーム分配機能，任意形状平面照射機能，分光計測用集光機能を素子１枚に融合した，小型低背化分光装置のためのメタサーフェス光学素子を開発することを目的として，メタレンズ設計手法とメタサーフェスホログラム設計手法を融合した新規設計法の適用有効性を調査する．2022年度前半は，目的とする分光計測に使用する光源の特性(波長・強度分布)の取得・ビーム分配先の形状/個数・動作波長の候補及び基板材料の選定を行い，動作波長・基板材質に応じた誘電体ナノ柱の電磁場解析を実行し，誘電体ナノ柱の条件(柱幅適用範囲・高さ・柱間距離)を定めることを実施項目に掲げ，波長1064nmの近赤外レーザ光に対し，伝搬軸外の4点にビームを分離し，さらにビーム分配先を集光させるメタサーフェス光学素子を設計した．設計では多点構造化機能を実現するためのデザインとして３種の光学素子を考案した．誘電体ナノ柱の材料には窒化シリコン，アモルファスシリコン，単結晶シリコンなどを想定し，電磁場解析を実施した結果，回折効率が高く，透過性が高くレーザ耐性が見込まれる単結晶シリコンを選定し，誘電体ナノ柱の高さ，幅，柱間距離の最適化を行い，メタサーフェスの構造単位となるメタ原子の構造と配列を決定した．2022年度後半からはこれまで実績のある電子線リソグラフィと反応性イオンエッチングにより製作を行い，2022年度末までに電子顕微鏡で製作寸法の計測を行うとともに近赤外ビーム解析装置でビーム多点分配特性を観察することを研究実施計画とした．本実施計画に従い，一つのチップ上に考案した３つのタイプのメタサーフェス光学素子を電子線描画装置と反応性イオンエッチング装置により製作した．製作した３種のメタサーフェス光学素子の光学測定を実施した結果，すべての光学素子が４点に分配され，設計した焦点に集光することを確認した．

在这项研究中，我们将开发一种用于紧凑、薄型光谱仪的超表面光学元件，该元件将多点的均匀强度光束分布功能、任意形状的平面照射功能以及用于光谱测量的光聚焦功能结合到单个元件中为此，我们研究了应用超透镜设计方法和超表面全息图设计方法相结合的新设计方法的有效性。 2022年上半年，我们将获取用于目标分光测量的光源的特性（波长和强度分布），选择光束分布目的地的形状/数量、候选工作波长以及基板材料，并进行电磁处理。介电纳米柱的场分析实施项目之一是确定电纳米柱的条件（柱宽应用范围、高度、柱间距离），对于波长为1064 nm的近红外激光，光束在传播时被分成四个点此外，我们设计了一个超表面光学元件，用于聚焦光束分布目的地。在设计中，设计了三种类型的光学元件来实现多点结构化功能。我们假设氮化硅、非晶硅、单晶硅等作为介电纳米柱的材料，经过电磁场分析，我们选择了单晶硅，它具有高衍射效率、高透明度，并且对介电纳米柱的高度、宽度和距离进行了优化，并确定了超表面结构单元超原子的结构和排列。从2022年下半年开始，生产将开始使用经过验证的电子束光刻和反应离子蚀刻，到2022年底，将使用电子显微镜测量制造尺寸，并测量束流多点分布特性研究实施方案是使用近红外光束分析仪进行观察。根据该实施计划，使用电子束光刻系统和反应离子蚀刻系统在一个芯片上设计了三种类型的超表面光学元件。对所制造的三种类型的超表面光学元件进行光学测量的结果表明，所有光学元件都分布在四个点上并聚焦在设计的焦点上。