2光子吸収量子干渉効果を用いた加工/顕微システムの開始とその工業的および生物学的応用

本年度の研究計画は、これまでに開発した高分解能2光子光重合加工システムを用い、3次元マイクロ/ナノデバイスの開発を行うことであった。本研究で最終的に目標としているデバイスは、生体適合性を有する生体内駆動型デバイスである。具体的には、生体適合性ポリマーを材料とし、3次元フォトニック結晶を基本原理とするレーザーダイオードの開発を目指した。一般に、生体適合性材料は屈折率が1.5程度と低く、これまで既知の一般的な構造では十分なフォトニックバンドギャップの光学特性を得ることが不可能であることが分かった。そこで、3次元電場分布解析および平面波展開法によるバンド解析の手法を用いて、ダイヤモンド型結晶構造を基本構造に持つ最適な3次元構造の設計を行った。その結果、フォトニックバンドギャップを有するために必要な最低の屈折率として屈折率1.8で完全フォトニックバンドギャップを与える構造を見いだした。この屈折率は、これまで理論的に発見されている様々なフォトニック結晶の中で最も低い値である。ラジカル重合型ウレタンアクリレート系の光硬化性高分子ポリマーを用い、3次元ダイヤモンド型フォトニック結晶を加工した。これまでに作製したフォトニック結晶は3次元的に8層分の結晶周期を持っており、透過スペクトルおよび反射スペクトルの測定から、波長2.5μmの近赤外領域にフォトニックバンドギャップに基づく光学特性を観測した。設計からのわずかな形状のずれと高分子材料の低い屈折率のため、完全なフォトニックバンドギャップはまだ得られていないが、今後の加工精度の改善および結晶層数の増加によって光学特性の向上を目指す。

本年度の研究計画は、これまでに開発した高分解能2光子光重合加工システムを用い、3次元マイクロ/ナノデバイスの開発を行うことであった。本研究で最終的に目標としているデバイスは、生体適合性を有する生体内駆動型デバイスである。具体的には、生体適合性ポリマーを材料とし、3次元フォトニック結晶を基本原理とするレーザーダイオードの開発を目指した。一般に、生体適合性材料は屈折率が1.5程度と低く、これまで既知の一般的な構造では十分なフォトニックバンドギャップの光学特性を得ることが不可能であることが分かった。そこで、3次元電場分布解析および平面波展開法によるバンド解析の手法を用いて、ダイヤモンド型結晶構造を基本構造に持つ最適な3次元構造の設計を行った。その結果、フォトニックバンドギャップを有するために必要な最低の屈折率として屈折率1.8で完全フォトニックバンドギャップを与える構造を見いだした。この屈折率は、これまで理論的に発見されている様々なフォトニック結晶の中で最も低い値である。ラジカル重合型ウレタンアクリレート系の光硬化性高分子ポリマーを用い、3次元ダイヤモンド型フォトニック結晶を加工した。これまでに作製したフォトニック結晶は3次元的に8層分の結晶周期を持っており、透過スペクトルおよび反射スペクトルの測定から、波長2.5μmの近赤外領域にフォトニックバンドギャップに基づく光学特性を観測した。設計からのわずかな形状のずれと高分子材料の低い屈折率のため、完全なフォトニックバンドギャップはまだ得られていないが、今後の加工精度の改善および結晶層数の増加によって光学特性の向上を目指す。