人工ナノ構造による巨大非局所的光学応答の制御とその応用に関する研究

キラリティーを有する二次元格子(キラルナノ格子)は巨大旋光性を示す人工物質として、新たな偏光制御法への応用から注目を集めている。これまでに報告されている人工キラルナノ格子のほとんどは金属を用いており、表面プラズモン共鳴による増強効果が重要であることを昨年度に我々は解明した。しかしながら、金属の透過損失によって、巨大旋光性と高い透過率の両立が困難であることが問題となっていた。本年度は、可視光域で透明な誘電体のみを用いて作製した人工キラルナノ格子(二次元キラルフォトニック結晶)のゼロ次透過光において、巨大旋光性を観測した。用いた試料は、シリカ基板とTiO2二次元キラルナノ格子の間にTiO2導波路層を有している。キラル構造を有するフォトニック結晶の導波路モードと入射光の共鳴的結合により大きな旋光性をもたらす。測定の結果、最大で25度を超える旋光性が観測された。また、構造の異方性に起因する複屈折は、旋光性に比べてはるかに小さいことを確認した。旋光角のピーク波長が透過率スペクトルのディップ波長に対応しており、このことからフォトニック結晶中の面内導波モードとの対応付けにも成功した。さらに、巨大光学活性のアクティブ応用を目指して、同様のキラルフォトニック結晶構造をGaAs系半導体を用いて作製した。その結果、通信波長帯の周波数領域において、15度程度の旋光性を観測することに成功した。さらに、シンプルな構造を用いてTHz領域における光学活性の動的制御を行うことに成功した。高抵抗Si基板上に金薄膜で作製した単層二次元キラル格子に対して超短パルス励起光を照射し、試料を透過したTHz波の偏光状態を観測した。その結果、励起光を照射しない場合は偏光回転は観測されないが、偏光変化の符号が構造のカイラリティに依存する光学活性が、光励起によって発現することが明らかになった。

キラリティーを有する二次元格子(キラルナノ格子)は巨大旋光性を示す人工物質として、新たな偏光制御法への応用から注目を集めている。これまでに報告されている人工キラルナノ格子のほとんどは金属を用いており、表面プラズモン共鳴による増強効果が重要であることを昨年度に我々は解明した。しかしながら、金属の透過損失によって、巨大旋光性と高い透過率の両立が困難であることが問題となっていた。本年度は、可視光域で透明な誘電体のみを用いて作製した人工キラルナノ格子(二次元キラルフォトニック結晶)のゼロ次透過光において、巨大旋光性を観測した。用いた試料は、シリカ基板とTiO2二次元キラルナノ格子の間にTiO2導波路層を有している。キラル構造を有するフォトニック結晶の導波路モードと入射光の共鳴的結合により大きな旋光性をもたらす。測定の結果、最大で25度を超える旋光性が観測された。また、構造の異方性に起因する複屈折は、旋光性に比べてはるかに小さいことを確認した。旋光角のピーク波長が透過率スペクトルのディップ波長に対応しており、このことからフォトニック結晶中の面内導波モードとの対応付けにも成功した。さらに、巨大光学活性のアクティブ応用を目指して、同様のキラルフォトニック結晶構造をGaAs系半導体を用いて作製した。その結果、通信波長帯の周波数領域において、15度程度の旋光性を観測することに成功した。さらに、シンプルな構造を用いてTHz領域における光学活性の動的制御を行うことに成功した。高抵抗Si基板上に金薄膜で作製した単層二次元キラル格子に対して超短パルス励起光を照射し、試料を透過したTHz波の偏光状態を観測した。その結果、励起光を照射しない場合は偏光回転は観測されないが、偏光変化の符号が構造のカイラリティに依存する光学活性が、光励起によって発現することが明らかになった。