Polarization diffraction properties of polarization grating using optically biaxial anisotropy and application to polarization electronics elements

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偏光制御に有用な回折光学素子である、偏光回折格子の形成に二軸異方性を呈する液晶材料を用いることによって、回折特性の入射角依存性を低減することに成功した。さらに、二軸異方性による入射角依存性の低減効果が入射光の波長に対する光学的厚さに依存することや最も低減効果が高まる二軸異方性形状の決定手法についても明らかにした。偏光回折格子の形成手法としては、従来と同様に光配向法を採用し、二軸異方性を呈する偏光感受性高分子液晶に偏光干渉光を照射することによるものである。そして、実験的に形成した偏光回折格子を回転ステージ上に配置してプローブ光（波長532 nm）を入射することによって、各入射角での回折効率や回折光の偏光楕円率を測定した。理論解析では、斜入射時の計算が可能な時間差分有限差分(FDTD)法によって透過光の複素振幅分布を計算し、回折計算によって回折特性を算出した。結果として、入射光の波長に対して光学的に十分に薄い(Raman-Nath)領域の偏光回折格子では、二軸異方性によって回折特性の入射角依存性を低減できた。一方で、偏光回折格子の格子周期をさらに小さくした、光学的に厚い(Bragg)領域では二軸異方性による低減効果が小さくなった。また、Raman-Nath領域の偏光回折格子に関して、異方性材料科学の分野で一般的に使用されるNz係数を用いて、デカルト座標系の基底に対応する主屈折率nx、ny、nzの組み合わせを決定する手法を提案した。本研究成果は、最も基本的な偏光エレクトロニクス素子である、偏光回折格子に関するものであり、幾何学的位相レンズや軸対称半波長板などにも応用可能な技術である。そして、偏光回折格子に斜入射が必要となる、偏光回折格子を用いたLiDAR、エアリアルディスプレイ、ニアアイディスプレイといった種々の光デバイスの高機能化につながる。