Development of miniaturized high-speed optical devices using refractive-index change induced by ultrasound

本研究では，超音波によって引き起こされる媒質の屈折率変化を利用した光デバイスの開発について検討した．第１項目として，超音波と液晶材料を用いた可変焦点レンズの開発を行い，特に液晶層の積層化による光学特性の改善について検討した．レンズは２つの液晶層と複数枚のガラス円板で構成され，これらの厚みがレンズの光学特性に与える影響について定量的評価を実施した．その結果，液晶層の多層化によって可変焦点幅は増大し，ガラス円板厚みが薄いほど消費電力が低減することが明らかとなった．第２項目として，将来的な超音波液晶レンズの電子デバイスへの搭載を想定し，レンズの固定方法および固定がレンズの光学特性に与える影響について検討した．レンズ周端部を基板に固定し，これを超音波駆動した際のレンズの超音波振動特性および光学特性について，シミュレーションと実験の両面から評価した．その結果，シミュレーションと実験の両方において，未固定時と比較して，周端部固定時は振動振幅が減少する傾向があるものの，同じ共振モードが発生することが確認された．この共振モードを利用することにより，基板固定時の液晶レンズを可変焦点レンズとして動作させることに成功した．また未固定時と比較し，基板固定時のレンズではより焦点距離の制御性が容易となった．第３項目として，数10 MHzから数100 MHz帯域の超高周波強力超音波を用いた媒質の屈折率制御手法について検討した．超高周波強力超音波の発生を実現するための圧電薄膜を水熱合成法によって成膜し，それに最適な成膜条件について検討した．作成した圧電薄膜を用いた超高周波超音波トランスデューサを開発し，これを用いた水中実験を実施した．その結果，トランスデューサ表面近傍において水中の屈折率が静的に変化する現象が確認された．

本研究では，超音波によって引き起こされる媒質の屈折率変化を利用した光デバイスの開発について検討した．第１項目として，超音波と液晶材料を用いた可変焦点レンズの開発を行い，特に液晶層の積層化による光学特性の改善について検討した．レンズは２つの液晶層と複数枚のガラス円板で構成され，これらの厚みがレンズの光学特性に与える影響について定量的評価を実施した．その結果，液晶層の多層化によって可変焦点幅は増大し，ガラス円板厚みが薄いほど消費電力が低減することが明らかとなった．第２項目として，将来的な超音波液晶レンズの電子デバイスへの搭載を想定し，レンズの固定方法および固定がレンズの光学特性に与える影響について検討した．レンズ周端部を基板に固定し，これを超音波駆動した際のレンズの超音波振動特性および光学特性について，シミュレーションと実験の両面から評価した．その結果，シミュレーションと実験の両方において，未固定時と比較して，周端部固定時は振動振幅が減少する傾向があるものの，同じ共振モードが発生することが確認された．この共振モードを利用することにより，基板固定時の液晶レンズを可変焦点レンズとして動作させることに成功した．また未固定時と比較し，基板固定時のレンズではより焦点距離の制御性が容易となった．第３項目として，数10 MHzから数100 MHz帯域の超高周波強力超音波を用いた媒質の屈折率制御手法について検討した．超高周波強力超音波の発生を実現するための圧電薄膜を水熱合成法によって成膜し，それに最適な成膜条件について検討した．作成した圧電薄膜を用いた超高周波超音波トランスデューサを開発し，これを用いた水中実験を実施した．その結果，トランスデューサ表面近傍において水中の屈折率が静的に変化する現象が確認された．